Laser ultraveloce unico, seconda parte

Unicolaser ultraveloceparte seconda

Dispersione e diffusione degli impulsi: dispersione del ritardo di gruppo
Una delle sfide tecniche più difficili che si incontrano quando si utilizzano laser ultraveloci è il mantenimento della durata degli impulsi ultrabrevi inizialmente emessi dallaserGli impulsi ultraveloci sono molto sensibili alla distorsione temporale, che ne allunga la durata. Questo effetto peggiora con la riduzione della durata dell'impulso iniziale. Sebbene i laser ultraveloci possano emettere impulsi della durata di 50 secondi, questi possono essere amplificati nel tempo utilizzando specchi e lenti per trasmettere l'impulso al bersaglio, o anche semplicemente trasmettendolo attraverso l'aria.

Questa distorsione temporale viene quantificata utilizzando una misura chiamata dispersione ritardata di gruppo (GDD), nota anche come dispersione di 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 è solitamente sufficiente esaminare l'effetto della GDD. La GDD è un valore dipendente dalla frequenza che è linearmente proporzionale allo spessore di un dato materiale. I componenti dell'ottica di trasmissione come lenti, finestre e obiettivi presentano in genere valori di GDD positivi, il che indica che gli impulsi, una volta compressi, possono conferire all'ottica di trasmissione una durata dell'impulso maggiore rispetto a quelli emessi dasistemi laserI componenti con frequenze più basse (ovvero, lunghezze d'onda maggiori) si propagano più velocemente dei componenti con frequenze più alte (ovvero, lunghezze d'onda più corte). Man mano che l'impulso attraversa una quantità sempre maggiore di 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 amplificato e può causare una significativa distorsione del tempo di impulso.

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

bioimmagine
I laser ultraveloci ad alta potenza supportano processi non lineari e migliorano la risoluzione per l'imaging biologico, come la microscopia multifotonica. In un sistema multifotonico, 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 ostacolano gli studi sui processi a singolo fotone. È illustrato il segnale di fondo semplificato. La regione di eccitazione più piccola del microscopio multifotonico previene inoltre la fototossicità e riduce al minimo i danni al campione.

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

Lavorazione laser dei materiali
Le sorgenti laser ultraveloci hanno rivoluzionato anche la microlavorazione laser e la lavorazione dei materiali grazie al modo unico in cui gli impulsi ultrabrevi interagiscono con i materiali. Come accennato in precedenza, parlando di LDT, la durata dell'impulso ultraveloce è più breve della scala temporale di diffusione del calore nel reticolo del materiale. I laser ultraveloci producono una zona termicamente alterata molto più piccola rispetto alaser pulsati a nanosecondi, con conseguente riduzione delle perdite di materiale da incisione e lavorazione più precisa. Questo principio è applicabile anche alle applicazioni mediche, dove la maggiore precisione del taglio laser ultrafart contribuisce 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
Con il continuo sviluppo di laser ultraveloci, si stanno sviluppando nuove e migliorate sorgenti luminose con durate di impulso più brevi. Per approfondire la conoscenza di processi fisici più rapidi, molti ricercatori si stanno concentrando sulla generazione di impulsi ad attosecondi, della durata di circa 10-18 s nell'intervallo di lunghezze d'onda dell'ultravioletto estremo (XUV). Gli impulsi ad attosecondi consentono di tracciare il moto degli elettroni e di migliorare la nostra comprensione della struttura elettronica e della meccanica quantistica. Sebbene l'integrazione dei laser ad attosecondi XUV nei processi industriali non abbia ancora compiuto progressi significativi, la ricerca e i progressi in corso nel settore spingeranno quasi certamente questa tecnologia fuori dal laboratorio e in produzione, come è avvenuto con i laser a femtosecondi e picosecondi.sorgenti laser.