Laser ultraveloce unico, prima parte

Unicolaser ultraveloceprima parte

Proprietà uniche dell'ultravelocelaser
La durata dell'impulso ultrabreve dei laser ultraveloci conferisce a questi sistemi proprietà uniche che li distinguono dai laser a impulso lungo o a onda continua (CW). Per generare un impulso così breve è necessaria una larghezza di banda ad ampio spettro. La forma dell'impulso e la lunghezza d'onda centrale determinano la larghezza di banda minima richiesta per generare impulsi di una durata particolare. Tipicamente, questa relazione è descritta in termini di prodotto larghezza di banda tempo (TBP), che deriva dal principio di indeterminazione. Il TBP dell'impulso gaussiano è dato dalla seguente formula:TBPGaussiano=ΔτΔν≈0,441
Δτ è la durata dell'impulso e Δv è la larghezza di banda della frequenza. In sostanza, l'equazione mostra che esiste una relazione inversa tra la larghezza di banda dello spettro e la durata dell'impulso, nel senso che al diminuire della durata dell'impulso, aumenta la larghezza di banda richiesta per generare quell'impulso. La Figura 1 illustra la larghezza di banda minima richiesta per supportare diverse durate di impulso.

Figura 1: larghezza di banda spettrale minima richiesta per il supportoimpulsi laserdi 10 ps (verde), 500 fs (blu) e 50 fs (rosso)

Le sfide tecniche dei laser ultraveloci
L'ampia larghezza di banda spettrale, la potenza di picco e la breve durata dell'impulso dei laser ultraveloci devono essere gestiti correttamente nel sistema. Spesso, una delle soluzioni più semplici a queste sfide è l’emissione ad ampio spettro dei laser. Se in passato hai utilizzato principalmente laser a impulsi più lunghi o a onda continua, il tuo stock esistente di componenti ottici potrebbe non essere in grado di riflettere o trasmettere l'intera larghezza di banda degli impulsi ultraveloci.

Soglia di danno laser
Le ottiche ultraveloci hanno anche soglie di danno laser (LDT) significativamente diverse e più difficili da superare rispetto alle sorgenti laser più convenzionali. Quando è prevista l'otticaLaser pulsati al nanosecondo, i valori LDT sono generalmente nell'ordine di 5-10 J/cm2. Per l'ottica ultraveloce, valori di questa grandezza sono praticamente inauditi, poiché è più probabile che i valori LDT siano dell'ordine di <1 J/cm2, solitamente più vicini a 0,3 J/cm2. La variazione significativa dell'ampiezza dell'LDT con diverse durate dell'impulso è il risultato del meccanismo di danno del laser basato sulla durata dell'impulso. Per laser a nanosecondi o più lunghilaser pulsati, il principale meccanismo che causa danni è il riscaldamento termico. I materiali di rivestimento e di substrato deldispositivi otticiassorbire i fotoni incidenti e riscaldarli. Ciò può portare alla distorsione del reticolo cristallino del materiale. L'espansione termica, la fessurazione, la fusione e la deformazione del reticolo sono i meccanismi comuni di danno termico di questisorgenti laser.

Tuttavia, per i laser ultraveloci, la durata dell’impulso stesso è più veloce della scala temporale del trasferimento di calore dal laser al reticolo del materiale, quindi l’effetto termico non è la causa principale del danno indotto dal laser. Invece, la potenza di picco del laser ultraveloce trasforma il meccanismo del danno in processi non lineari come l’assorbimento e la ionizzazione multifotone. Questo è il motivo per cui non è possibile restringere semplicemente il valore LDT di un impulso di nanosecondi a quello di un impulso ultraveloce, perché il meccanismo fisico del danno è diverso. Pertanto, nelle stesse condizioni d'uso (ad esempio, lunghezza d'onda, durata dell'impulso e frequenza di ripetizione), un dispositivo ottico con un valore LDT sufficientemente elevato sarà il miglior dispositivo ottico per la vostra applicazione specifica. Le ottiche testate in condizioni diverse non sono rappresentative delle prestazioni effettive della stessa ottica nel sistema.

Figura 1: Meccanismi di danno indotto dal laser con diverse durate dell'impulso