Laser ultraveloce unico, seconda parte

Unicolaser ultraveloceparte seconda

Dispersione e diffusione dell'impulso: dispersione del ritardo di gruppo
Una delle sfide tecniche più difficili incontrate quando si utilizzano laser ultraveloci è mantenere la durata degli impulsi ultracorti inizialmente emessi dal laser.laser. Gli impulsi ultraveloci sono molto sensibili alla distorsione temporale, che rende gli impulsi più lunghi. Questo effetto peggiora man mano che la durata dell'impulso iniziale si accorcia. Sebbene i laser ultraveloci possano emettere impulsi della durata di 50 secondi, possono essere amplificati nel tempo utilizzando specchi e lenti per trasmettere l'impulso alla posizione target, o anche semplicemente trasmettere l'impulso attraverso l'aria.

Questa distorsione temporale viene quantificata utilizzando una misura chiamata dispersione ritardata di gruppo (GDD), nota anche come dispersione del secondo ordine. In effetti, esistono anche termini di dispersione di ordine superiore che possono influenzare la distribuzione temporale degli impulsi laser ultrafart, ma in pratica di solito è sufficiente esaminare solo l'effetto del GDD. GDD è un valore dipendente dalla frequenza che è linearmente proporzionale allo spessore di un dato materiale. Le ottiche di trasmissione come lenti, finestre e componenti dell'obiettivo hanno tipicamente valori GDD positivi, il che indica che gli impulsi una volta compressi possono fornire all'ottica di trasmissione una durata dell'impulso più lunga di quelli emessi dasistemi laser. I componenti con frequenze più basse (cioè lunghezze d'onda maggiori) si propagano più velocemente dei componenti con frequenze più alte (cioè lunghezze d'onda più corte). Man mano che l'impulso attraversa sempre più materia, la lunghezza d'onda dell'impulso continuerà ad estendersi sempre di più nel tempo. Per durate di impulso più brevi, e quindi larghezze di banda più ampie, questo effetto è ulteriormente esagerato e può provocare una significativa distorsione del tempo di impulso.

Applicazioni laser ultraveloci
spettroscopia
Dall'avvento delle sorgenti laser ultraveloci, la spettroscopia è stata una delle loro principali aree di applicazione. Riducendo la durata dell'impulso a femtosecondi o addirittura attosecondi, è ora possibile ottenere processi dinamici in fisica, chimica e biologia che storicamente erano impossibili da osservare. Uno dei processi chiave è il movimento atomico e l'osservazione del movimento atomico ha migliorato la comprensione scientifica di processi fondamentali come la vibrazione molecolare, la dissociazione molecolare e il trasferimento di energia nelle proteine ​​fotosintetiche.

bioimaging
I laser ultraveloci con potenza di picco supportano processi non lineari e migliorano la risoluzione per l’imaging biologico, come la microscopia multifotone. In un sistema multi-fotone, per generare un segnale non lineare da un mezzo biologico o da un bersaglio fluorescente, due fotoni devono sovrapporsi nello spazio e nel tempo. Questo meccanismo non lineare migliora la risoluzione dell'imaging riducendo significativamente i segnali di fluorescenza di fondo che affliggono gli studi sui processi a singolo fotone. Viene illustrato lo sfondo del segnale semplificato. La regione di eccitazione più piccola del microscopio multifotone previene inoltre la fototossicità e minimizza i danni al campione.

Figura 1: un diagramma di esempio del percorso del raggio in un esperimento al microscopio multifotone

Lavorazione materiali tramite laser
Le sorgenti laser ultraveloci hanno anche rivoluzionato la microlavorazione laser e la lavorazione dei materiali grazie al modo unico in cui gli impulsi ultracorti interagiscono con i materiali. Come accennato in precedenza, quando si parla di LDT, la durata dell'impulso ultraveloce è più veloce della scala temporale della diffusione del calore nel reticolo del materiale. I laser ultraveloci producono una zona influenzata dal calore molto più piccola di quellaLaser pulsati al nanosecondo, con conseguenti minori perdite di incisione e lavorazione più precisa. Questo principio è applicabile anche alle applicazioni mediche, dove la maggiore precisione del taglio laser ultrafart aiuta a ridurre i danni ai tessuti circostanti e migliora l’esperienza del paziente durante la chirurgia laser.

Impulsi ad attosecondi: il futuro dei laser ultraveloci
Mentre la ricerca continua a far avanzare i laser ultraveloci, vengono sviluppate sorgenti luminose nuove e migliorate con durate di impulso più brevi. Per ottenere informazioni sui processi fisici più rapidi, molti ricercatori si stanno concentrando sulla generazione di impulsi ad attosecondi – circa 10-18 s nella gamma di lunghezze d’onda dell’ultravioletto estremo (XUV). Gli impulsi di attosecondi consentono il tracciamento del movimento degli elettroni e migliorano la nostra comprensione della struttura elettronica e della meccanica quantistica. Sebbene l’integrazione dei laser ad attosecondi XUV nei processi industriali non abbia ancora fatto progressi significativi, la ricerca in corso e i progressi nel campo quasi certamente spingeranno questa tecnologia fuori dai laboratori e nella produzione, come è avvenuto con i femtosecondi e i picosecondi.sorgenti laser.