Vývoj a aplikácia technológie femtosekundového lasera
2021-12-15
Keďže Maman prvýkrát získal výstup laserových impulzov v roku 1960, proces ľudskej kompresie šírky laserového impulzu možno zhruba rozdeliť do troch etáp: štádium technológie prepínania Q, štádium technológie blokovania režimu a štádium technológie zosilnenia cvrlikání impulzov. Chirped pulse amplification (CPA) je nová technológia vyvinutá na prekonanie efektu vlastného zaostrovania generovaného pevnými laserovými materiálmi počas zosilňovania femtosekundovým laserom. Najprv poskytuje ultrakrátke impulzy generované lasermi s uzamknutým režimom. "Pozitívne cvrlikanie", zväčšite šírku impulzu na pikosekundy alebo dokonca nanosekundy na zosilnenie a potom použite metódu kompenzácie cvrkotu (negatívne cvrlikanie) na kompresiu šírky impulzu po získaní dostatočného zosilnenia energie. Veľký význam má vývoj femtosekundových laserov. Pred rokom 1990,femtosekundový laserimpulzy boli získané pomocou technológie uzamknutia režimu farbiva lasera so širokou šírkou pásma zisku. Údržba a riadenie farbiaceho lasera je však mimoriadne komplikované, čo obmedzuje jeho použitie. So zlepšením kvality Ti:Sapphire kryštálov je možné použiť aj kratšie kryštály na získanie dostatočne vysokých ziskov na dosiahnutie krátkej pulznej oscilácie. V roku 1991 Spence a spol. prvýkrát vyvinuli femtosekundový laser Ti:Sapphire s vlastným režimom. Úspešný vývoj 60fs pulzného Ti:Sapphire femtosekundového lasera výrazne podporil aplikáciu a vývoj femtosekundových laserov. V roku 1994 sa začalo používať technológiu zosilňovania chirpovaných impulzov na získanie laserových impulzov menších ako 10fs, v súčasnosti s pomocou technológie samočinného uzamknutia šošovky Kerr, technológie zosilňovania optických parametrických chirpovaných impulzov, technológie vyprázdňovania dutín, technológie multi-pass zosilnenia atď. dokáže vytvoriť laser Šírka impulzu je stlačená na menej ako 1 fs, aby sa dostala do attosekundovej domény, a špičkový výkon laserového impulzu sa tiež zvýši z terawattu (1TW=10^12W) na petawatt (1PW=10^15W). Tieto veľké prelomy v laserovej technológii spustili rozsiahle a hĺbkové zmeny v mnohých oblastiach. V oblasti fyziky môže ultravysoké elektromagnetické pole generované femtosekundovým laserom generovať relativistické neutróny a môže tiež priamo manipulovať s atómami a molekulami. Na stolnom laserovom zariadení jadrovej fúzie sa na ožarovanie molekulárnych zhlukov deutéria-trícia používa femtosekundový laserový pulz. Môže iniciovať reakciu jadrovej fúzie a produkovať veľké množstvo neutrónov. Keď femtosekundový laser interaguje s vodou, môže spôsobiť, že izotop vodíka deutérium podstúpi reakciu jadrovej fúzie, ktorá generuje obrovské množstvo energie. Pomocou femtosekundových laserov na riadenie jadrovej fúzie možno získať ovládateľnú energiu jadrovej fúzie. Vo vesmírnom fyzikálnom laboratóriu môže plazma s vysokou hustotou energie generovaná ultravysokými svetelnými impulzmi femtosekundových laserov reprodukovať vnútorné javy Mliečnej dráhy a hviezd na zemi. Metóda femtosekundového časového rozlíšenia dokáže jasne pozorovať zmeny molekúl umiestnených v nanopriestore a ich vnútorné elektronické stavy na časovej škále femtosekúnd. V oblasti biomedicíny sú v dôsledku vysokého špičkového výkonu a hustoty výkonu femtosekundových laserov často spôsobené rôzne nelineárne efekty, ako je multifotónová ionizácia a efekty samozaostrenia pri interakcii s rôznymi materiálmi. Zároveň je interakčný čas medzi femtosekundovým laserom a biologickými tkanivami nevýznamný v porovnaní s časom tepelnej relaxácie biologických tkanív (rádovo ns). Pre biologické tkanivá sa zvýšenie teploty o niekoľko stupňov stane tlakovou vlnou pre nervy. Bunky spôsobujú bolesť a tepelné poškodenie buniek, takže femtosekundový laser môže dosiahnuť bezbolestnú a tepelnú liečbu. Femtosekundový laser má výhody nízkej energie, malého poškodenia, vysokej presnosti a prísneho polohovania v trojrozmernom priestore, čo môže v najväčšej miere uspokojiť špeciálne potreby biomedicínskej oblasti. Femtosekundový laser sa používa na ošetrenie zubov s cieľom získať čisté a upratané kanály bez poškodenia hrán, čím sa zabráni vplyvu mechanického namáhania a tepelného namáhania spôsobeného lasermi s dlhými pulzmi (ako je Er:YAG), kalcifikácie, prasklín a drsných povrchov. Keď sa femtosekundový laser aplikuje na jemné rezanie biologických tkanív, luminiscencia plazmy počas interakcie femtosekundového lasera s biologickými tkanivami môže byť analyzovaná spektrom a môže byť identifikované kostné tkanivo a chrupavkové tkanivo, aby bolo možné určiť a kontrolovať, čo je potrebná v procese chirurgickej liečby Energia pulzu. Táto technika má veľký význam pre chirurgiu nervov a chrbtice. Femtosekundový laser s rozsahom vlnových dĺžok 630-1053nm môže vykonávať bezpečné, čisté, vysoko presné netepelné chirurgické rezanie a abláciu ľudského mozgového tkaniva. Femtosekundový laser s vlnovou dĺžkou 1060nm, šírkou impulzu 800fs, frekvenciou opakovania impulzov 2kHz a energiou impulzu 40μJ dokáže vykonávať čisté a vysoko presné operácie rezania rohovky. Femtosekundový laser má vlastnosti bez tepelného poškodenia, čo má veľký význam pre laserovú revaskularizáciu myokardu a laserovú angioplastiku. V roku 2002 použilo laserové centrum v Hannoveri v Nemecku femtosekundový laser na dokončenie prelomovej výroby štruktúry cievneho stentu na novom polymérnom materiáli. V porovnaní s predchádzajúcim stentom z nehrdzavejúcej ocele má tento vaskulárny stent dobrú biokompatibilitu a biologickú kompatibilitu. Odbúrateľnosť má veľký význam pri liečbe koronárnej choroby srdca. Pri klinickom testovaní a biologických testoch dokáže technológia femtosekundového lasera automaticky rezať biologické tkanivá organizmov na mikroskopickej úrovni a získať trojrozmerné obrázky s vysokým rozlíšením. Táto technológia má veľký význam pre diagnostiku a liečbu rakoviny a štúdium živočíšnych 368 genetických mutácií. V oblasti genetického inžinierstva. V roku 2001 použil K.Konig z Nemecka Ti:Sapphirefemtosekundový laservykonávať operácie nanometrov na ľudskej DNA (chromozómoch) (minimálna šírka rezu 100 nm). V roku 2002 U.irlapur a Koing použili afemtosekundový laseraby sa vytvoril reverzibilný mikropór v membráne rakovinových buniek a potom sa umožnilo DNA vstúpiť do bunky cez tento otvor. Neskôr vlastný rast bunky dieru uzavrel, čím sa úspešne dosiahol prenos génov. Táto technika má výhody vysokej spoľahlivosti a dobrého transplantačného účinku a má veľký význam pre transplantáciu cudzieho genetického materiálu do rôznych buniek vrátane kmeňových buniek. V oblasti bunkového inžinierstva sa femtosekundové lasery používajú na dosiahnutie nanochirurgických operácií v živých bunkách bez poškodenia bunkovej membrány. Tieto techniky operácie femtosekundovým laserom majú pozitívny význam pre výskum génovej terapie, bunkovej dynamiky, bunkovej polarity, liekovej rezistencie a rôznych zložiek buniek a subcelulárnej heterogénnej štruktúry. V oblasti komunikácie s optickými vláknami je čas odozvy materiálov polovodičových optoelektronických zariadení „úzkym miestom“, ktoré obmedzuje superkomerčnú rýchlosť komunikácie s optickými vláknami. Aplikácia technológie femtosekundového koherentného riadenia spôsobuje, že rýchlosť polovodičových optických prepínačov dosahuje 10 000 Gbit/s, čo môže konečne dosiahnuť teoretickú hranicu kvantovej mechaniky. . Okrem toho sa Fourierova technológia tvarovania vĺn femtosekundových laserových impulzov aplikuje na veľkokapacitné optické komunikácie, ako je multiplexovanie s časovým delením, multiplexovanie s delením podľa vlnovej dĺžky a viacnásobný prístup s kódovým delením, pričom možno dosiahnuť rýchlosť prenosu dát 1 Tbit/s. V oblasti ultrajemného spracovania je silný samozaostrovací efekt ofemtosekundový laserimpulzy v priehľadnom médiu spôsobujú, že ohniskový bod lasera je menší ako limit difrakcie, čo spôsobuje mikrovýbuchy vo vnútri priehľadného materiálu za vzniku stereo pixelov so submikrónovými priemermi. Pomocou tejto metódy je možné vykonávať trojrozmerné optické ukladanie s vysokou hustotou a hustota úložiska môže dosiahnuť 10^12 bitov/cm3. A dokáže realizovať rýchle čítanie, zápis a paralelný prístup k údajom. Presluchy medzi susednými dátovými bitovými vrstvami sú veľmi malé a technológia trojrozmerného ukladania sa stala novým smerom výskumu vo vývoji súčasnej technológie veľkokapacitného ukladania. Optické vlnovody, rozdeľovače lúčov, spojky atď. sú základnými optickými komponentmi integrovanej optiky. Pomocou femtosekundových laserov na počítačom riadenej spracovateľskej platforme je možné vyrobiť dvojrozmerné a trojrozmerné optické vlnovody akéhokoľvek tvaru v ľubovoľnej polohe vo vnútri materiálu. , Rozdeľovač lúčov, spojka a ďalšie fotonické zariadenia a môžu byť prepojené so štandardným optickým vláknom, pomocou femtosekundového lasera je možné vytvoriť aj 45 ° mikrozrkadlo vo vnútri fotocitlivého skla a teraz bol vyrobený optický obvod zložený z 3 vnútorných mikrozrkadiel , Dokáže otočiť lúč o 270° v oblasti 4mmx5mm. Vedeckejšie vedci v Spojených štátoch nedávno použili femtosekundové lasery na vytvorenie 1 cm dlhého optického vlnovodu, ktorý dokáže generovať zisk signálu 3 dB/cm v blízkosti 1062 nm. Vláknová Braggova mriežka má efektívne charakteristiky výberu frekvencie, ľahko sa spája s vláknovým komunikačným systémom a má nízke straty. Preto vykazuje bohaté prenosové charakteristiky vo frekvenčnej doméne a stal sa hotspotom výskumu zariadení s optickými vláknami. V roku 2000 Kawamora K a kol. použili dve infračervené femtosekundové laserové interferometrie na získanie povrchových reliéfnych holografických mriežok po prvýkrát. Neskôr, s rozvojom výrobnej technológie a technológie, v roku 2003 Mihaiby. S a kol. použil Ti:Sapphire femtosekundové laserové impulzy kombinované s fázovými doskami nultého rádu na získanie reflexných Braggových mriežok na jadre komunikačných vlákien. Má vysoký modulačný rozsah indexu lomu a dobrú teplotnú stabilitu. Fotonický kryštál je dielektrická štruktúra s periodickou moduláciou indexu lomu v priestore a jeho perióda zmeny je rádovo rovnaká ako vlnová dĺžka svetla. Zariadenie s fotonickým kryštálom je úplne nové zariadenie, ktoré riadi šírenie fotónov a stalo sa hotspotom výskumu v oblasti fotoniky. V roku 2001 Sun H B a kol. použili femtosekundové lasery na výrobu fotonických kryštálov s ľubovoľnými mriežkami v kremičitom skle dopovanom germániom, ktoré môžu individuálne vyberať jednotlivé atómy. V roku 2003 Serbin J a kol. použil femtosekundový laser na vyvolanie dvojfotónovej polymerizácie anorganicko-organických hybridných materiálov na získanie trojrozmerných mikroštruktúr a fotonických kryštálov s veľkosťou štruktúry menšou ako 200 nm a periódou 450 nm. Femtosekundové lasery dosiahli prelomové výsledky v oblasti spracovania mikrofotonických zariadení, takže na „čipe“ je možné spracovať smerové konektory, pásmové filtre, multiplexery, optické spínače, prevodníky vlnových dĺžok a modulátory Planar lightwave loops with other components. Položil základ pre fotonické zariadenia, ktoré nahradili elektronické zariadenia. Technológia fotomasky a litografie je kľúčovou technológiou v oblasti mikroelektroniky, ktorá priamo súvisí s kvalitou a efektívnosťou výroby produktov s integrovanými obvodmi. Femtosekundové lasery môžu byť použité na opravu defektov fotomasky a opravená šírka čiary môže dosiahnuť presnosť menej ako 100 nm. Thefemtosekundový laserTechnológia priameho písania sa dá použiť na rýchlu a efektívnu výrobu vysokokvalitných fotomasiek. Tieto výsledky sú veľmi dôležité pre mikro Vývoj elektronických technológií má veľký význam.
We use cookies to offer you a better browsing experience, analyze site traffic and personalize content. By using this site, you agree to our use of cookies.
Privacy Policy
