Unicolaser ultraveloceseconda parte
Dispersione e diffusione dell'impulso: dispersione del ritardo di gruppo
Una delle sfide tecniche più difficili che si incontrano quando si utilizzano laser ultrarapidi è mantenere la durata degli impulsi ultracorti inizialmente emessi dallaserGli impulsi ultrarapidi sono molto suscettibili alla distorsione temporale, che ne allunga la durata. Questo effetto peggiora al diminuire della durata dell'impulso iniziale. Sebbene i laser ultrarapidi 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 persino 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 realtà, esistono anche termini di dispersione di ordine superiore che possono influenzare la distribuzione temporale degli impulsi laser ultra-veloci, ma in pratica, di solito è sufficiente esaminare solo l'effetto della GDD. La 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 una volta che gli impulsi compressi possono dare alle ottiche di trasmissione una durata dell'impulso più lunga di quelli emessi dasistemi laserLe componenti con frequenze più basse (ovvero lunghezze d'onda più lunghe) si propagano più velocemente rispetto alle 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 più nel tempo. Per durate dell'impulso più brevi, e quindi per larghezze di banda maggiori, questo effetto è ulteriormente accentuato e può causare una significativa distorsione temporale dell'impulso.
Applicazioni laser ultraveloci
spettroscopia
Dall'avvento delle sorgenti laser ultrarapide, la spettroscopia è diventata una delle loro principali aree di applicazione. Riducendo la durata dell'impulso a femtosecondi o addirittura ad attosecondi, è ora possibile osservare processi dinamici in fisica, chimica e biologia che in passato erano impossibili da studiare. Uno dei processi chiave è il moto atomico, e l'osservazione di quest'ultimo ha migliorato la comprensione scientifica di processi fondamentali come la vibrazione molecolare, la dissociazione molecolare e il trasferimento di energia nelle proteine fotosintetiche.
bioimmagini
I laser ultrarapidi ad alta potenza supportano processi non lineari e migliorano la risoluzione per l'imaging biologico, come la microscopia multifotone. In un sistema multifotone, 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'immagine riducendo significativamente i segnali di fluorescenza di fondo che affliggono gli studi sui processi a singolo fotone. Viene illustrato il segnale di fondo semplificato. La regione di eccitazione più piccola del microscopio multifotone previene inoltre la fototossicità e minimizza i danni al campione.
Figura 1: Esempio di schema del percorso del fascio in un esperimento con microscopio multifotone.
Lavorazione dei materiali tramite laser
Le sorgenti laser ultrarapide 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 ultrarapido è più veloce della scala temporale della diffusione del calore nel reticolo del materiale. I laser ultrarapidi producono una zona termicamente alterata molto più piccola rispetto alaser a impulsi di nanosecondiCiò si traduce in minori perdite di materiale durante l'incisione e in una lavorazione più precisa. Questo principio è applicabile anche in ambito medico, dove la maggiore precisione del taglio laser a ultrasuoni contribuisce a ridurre i danni ai tessuti circostanti e migliora l'esperienza del paziente durante la chirurgia laser.
Impulsi attosecondi: il futuro dei laser ultrarapidi
Mentre la ricerca continua a progredire nel campo dei laser ultrarapidi, si stanno sviluppando nuove e migliori sorgenti luminose con durate di impulso più brevi. Per comprendere meglio i processi fisici più rapidi, molti ricercatori si stanno concentrando sulla generazione di impulsi di attosecondi, ovvero di circa 10⁻¹⁸ secondi nella gamma di lunghezze d'onda dell'ultravioletto estremo (XUV). Gli impulsi di attosecondi consentono di tracciare il movimento degli elettroni e migliorano la nostra comprensione della struttura elettronica e della meccanica quantistica. Sebbene l'integrazione dei laser XUV ad attosecondi 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 nella produzione industriale, come è già accaduto con i laser a femtosecondi e picosecondi.sorgenti laser.
Data di pubblicazione: 25 giugno 2024