ليزر الفيمتو ثانية: ما هي وكيف يتم استخدامها

هناك العديد من أنظمة الليزر المتاحة حاليًا, ويستند كل منها إلى دراسات مبكرة حول تضخيم الضوء من خلال التفريغ المتسارع لإشعاع الليزر. تحتوي هذه التقنية الثورية حاليًا على وضعي تشغيل منفصلين: موجة مستمرة (CW) وطريقة النبض.

تظل القوة الانكسارية لليزر CW ثابتة طوال الوقت, لكن الليزر النبضي يتغير بتردد تكرار نبضي محدد مسبقًا (PRF وتنبعث نبضات متفاوتة الفترات. تتوافق هذه الترددات مع المجال الزمني لليزر النبضي, والتي يمكن أن يكون لها فترات نبض أقصر تصل إلى بيكو ثانية (10-12 ثواني).

أصبحت الشركات قادرة على تطوير ليزر الفيمتو ثانية, التي هي معدات طريقة النبض مع فترات نبض في نطاق فيمتوثانية (10-15). في هذا المقال, سنناقش ليزر الفيمتو ثانية, كيف تعمل وكيف يتم استخدامها.

ما هو ليزر الفيمتو ثانية؟?

ليزر الفيمتو هو أداة تنتج نبضات ضوئية من الأشعة تحت الحمراء (و) شعاع ضوء الليزر بأطوال فيمتوثانية. إنه يولد طاقة نبضة سريعة بشكل لا يصدق من طاقة الليزر بسرعة أعلى بشكل لا يصدق. النبضات فائقة القصر هي موجة قصيرة من الطاقة الكهرومغناطيسية بطول البيكو ثانية أو حتى أقل, بأقصى طاقات ميغاوات (ميغاواط) أو PRF أكبر وذات أهمية مماثلة.

لتوليد أشعة ليزر فيمتو ثانية بقدرات ذروة عالية, يجب استخدام تقنيات تضخيم الضوء مثل تضخيم النبضات (CPA). إنها تقنية لتكبير أشعة الليزر فائقة القصر وتحقيق أقصى طاقات في نطاق بيتاوات (PW). لإنتاج مصابيح فائقة القصر ذات خرج ذروة كبير مع ترددات تكرار نبضة أعلى, كل ليزر فيمتوثانية ذو قوة كبيرة يستخدم نوعًا من CPA.

تاريخ ليزر الفيمتو ثانية

في الستينيات والسبعينيات, أنتجت الدراسات الرائدة والتطوير لاستكشاف الليزر بنبضات أقصر تدريجيًا أكثر الاختراقات العملية. على الرغم من أن ليزر الصبغ المغلق يمكن أن يخلق أشعة ليزر في منطقة الفيمتو ثانية, جعلتها قيود المعدات غير مناسبة لمعظم استخدامات ليزر الفيمتوثانية المتوقعة.

ليزر التيتانيوم والياقوت, اخترع في 1982, كان أول معلم حقيقي لتسويق ابتكارات ليزر الفيمتو ثانية. بعد ذلك بقليل, تم الجمع بين ليزر التيتانيوم والياقوت المغلق بالنمط مع نظام CPA, فاز العلماء بجائزة نوبل.

في السنوات التالية, يمكن الوصول إلى ليزر الفيمتوثانية باستخدام مجموعة متنوعة من مصادر الكسب, مع المزيد من تقنيات التضخيم التي تنضم إلى المزيج لتحسين أطوال موجات النبض الممكنة ومعدلات النبضات فائقة القصر.

أنواع ليزر الفيمتو ثانية

السيطرة على العوامل المختلفة لليزر الفيمتو ثانية مثل التضخيم, عرض النطاق, نطاق الانبعاث, وهكذا دواليك يتطلب CPA. تعمل طرق قفل الوضع على إدارة خصائص الليزر هذه وتوفر نبضات طاقة ليزر قوية وعالية الجودة. وضع القفل تلك التي لديها القدرة على توليد نبضات ضوئية كبيرة فيمتوثانية هي:

الليزر السائب ذو الحالة الصلبة: يمكن أن يولد نبضات فائقة القصر ذات أطوال متوسطة تتراوح من 30 fs إلى 30 ملاحظة. في هذا المجال, العديد من أجهزة الليزر التي يتم ضخها بواسطة الصمام الثنائي هي وسط ليزر نشط وتعمل بمستويات إخراج عادية تتراوح من 100 ميغاواط إلى 1 دبليو.

على الرغم من وجود متغيرات تردد تكرار أقل مع ميغا هرتز قليلاً للحصول على طاقة نبض عالية, بالإضافة إلى أشعة الليزر الصغيرة مع عشرات من نطاق التردد جيجاهرتز, عادةً ما يكون PRF في ليزر الحالة الصلبة موجودًا 50 ميغاهيرتز و 500 ميغا هيرتز.

ألياف الليزر: عادةً ما يتم قفل أوضاع الليزر فائقة السرعة بشكل تام, لها فترات نبض تتراوح من 50 إلى 500 خ, تكرار تكرار تتراوح بين 10 إلى 100 ميغا هيرتز, وتعني أيضًا قوى تتراوح من بضع ميغاواط إلى عشرات المرات.

على الرغم من أن المبادرة اللازمة لإنتاج جهاز بكفاءة أفضل وموثوقية أعلى يمكن أن تكون مهمة بسبب العديد من العقبات التقنية, يمكن أن يكون كل خيار من خيارات الألياف فعالًا نسبيًا من حيث التكلفة في التصنيع على نطاق واسع. تتطلب التأثيرات غير الخطية للغاية مبادئ تشغيل صعبة إلى حد ما لتحقيق كفاءة أعلى, مما يعني أن إدارتها أكثر تعقيدًا بكثير من معالجة ليزر الحالة الصلبة.

صبغ الليزر: قبل إدخال ليزر التيتانيوم والياقوت, سادت الليزر الصبغية منطقة إنتاج النبضات فائقة القصر. يتيح تردد الكسب الخاص به فترات النبض في نطاق 10 خ, والعديد من أنواع الليزر مناسبة للإخراج بأطوال موجية مختلفة, كثيرًا في الجزء المرئي من الطيف. بسبب عيوب إدارتها وقصر عمر الصبغة, لم يعدوا مستخدمين على نطاق واسع – خاصة في المناطق الطيفية.

ليزر أشباه الموصلات: يمكن لبعض أنواع ليزر أشباه الموصلات المقفلة أن تخلق نبضات فيمتوثانية. عادة ما تكون أطوال نبضات مثل هذه الليزرات قليلة 100 فيمتوثانية, على الرغم من ضغط النبض الإضافي, يمكن الحصول على أطوال نبض أقل بكثير. يمكن أن تصل ليزر أشباه الموصلات أيضًا إلى معدلات تكرار نبضة عالية في نطاق 10 ثوانٍ أو 100 ثانية من نطاق جيجاهرتز.

مع ذلك, في معظم الظروف, تنحصر طاقة النبض بشكل كبير في نطاق البيكوجول. نظرًا لسطح الوضع الواسع الواضح ومسافة الانتشار القصيرة في أشباه الموصلات, يمكن أن تكون طاقة النبض أكبر بكثير, على الرغم من أنه أقل بكثير من ليزر الحالة الصلبة بشكل عام, بسبب قيمة عتبة الربح المتواضعة.

العديد من آلات ليزر الفيمتو ثانية لا تتحدث تقنيًا عن ليزر الفيمتوثانية لأنها تتضمن ميزات إضافية ضرورية بما في ذلك مكبر تشغيلي أو معدات لمحول التردد غير الخطي المطلوب للعمل في العديد من نطاقات الطول الموجي الأخرى. تعد أشعة الليزر ذات التركيز اللوني وليزر الإلكترون الحر إصدارات غير عادية من ليزر الفيمتو ثانية. من الممكن جعل الأخير يولد نبضات فيمتوثانية بطريقة الأشعة السينية.

كيف يولد الليزر نبضات ليزر الفيمتو ثانية?

يمكن أن تولد عدة أنواع من الليزر نبضات فيمتوثانية. حاليا, كيف يمكن أن يولد الليزر نبضات بدلاً من تفريغ الموجات المستمرة? غالبًا ما يحدث في مرنان الليزر. ينتج الضوء الملتقط داخل مرنان بصري قيمة معينة لموجات السطح ذات الأطوال الموجية المتغيرة, بعد تردد الرنين.

الموجات أو الأطوار المرتفعة الموجودة داخل مرنان, اتسع نطاق شعاع الليزر. يتم تحديد مقدار هذه المراحل أيضًا بواسطة نطاق طيف الليزر’ متوسطة الليزر.

تُعرف الطريقة المستخدمة لإنشاء نبضة ليزر داخل الرنان باسم قفل الوضع. عادة, تتذبذب كل مرحلة من مراحل الرنان هذه بشكل منفصل وتعسفي. يتسبب قفل الوضع في تأرجح آليات الرنان بالتسلسل, مما أدى إلى تدخل الوضع و, نتيجة ل, نبضات شديدة الانحدار تتحرك بين الرنانات قبل الخروج في مسار واحد لتوليد نبضة ليزر منفردة.

على العموم, أصغر طول النبضة التي يمكن الحصول عليها, ومن ثم فإن المزيد من الأطوار التي تكون مقفلة في إيقاعها. تختلف PRFs لليزر الفيمتو من حيث الطول والتردد. قد تختلف عبر بضعة ميغا هرتز إلى العديد من غيغاهرتز.

مزايا تقنية ليزر الفيمتو ثانية

داخل شعاع ضوء واحد, يركز ليزر الفيمتو ثانية الطاقة في إطار زمني صغير نوعًا ما. يؤدي هذا إلى زيادة الطاقة القصوى التي تتجاوز بكثير قمم الطاقة الممكنة بواسطة ليزر CW. تقديم سريع, يزيد انبعاث الليزر عالي الكثافة من احتمالية استخدام جميع أنواع الليزر.

تقلل النبضات فائقة القصر إصابات الحرارة للمواد في البيئات الصناعية مثل عملية الإنتاج. بشكل أساسي, تعمل نبضات الليزر على أنها محدودة نسبيًا, عنصر تسخين قوي, تبخر المواد بسرعة في المنطقة المركزة دون التسبب في فقد كبير للحرارة في البيئة الخارجية.

فائدة إضافية للابتكارات الحديثة هي قصر طول نبضة الليزر بشكل لا يصدق, مما يسمح باستخدام ليزر الفيمتوثانية لمراقبة العمليات فائقة القصر والتأثير عليها, كما هو الحال في علم الأحياء أو الكيمياء.

تطبيقات تقنية الليزر الفيمتو ثانية

تقدم تقنية ليزر الفيمتو ثانية مجموعة متنوعة من التطبيقات التي تستخدم سمات مميزة نسبيًا للنبضات. فيما يلي بعض الأمثلة الشائعة:

معالجة المواد بالليزر

تستخدم تقنية ليزر الفيمتو ثانية بشكل كبير في إنتاج المواد بالليزر. الطاقات القصوى لنبضات البيكو ثانية والفيمتوثانية أكبر بكثير من تلك الخاصة بنبضات النانو ثانية ذات الطاقة النبضية المماثلة. نتيجة ل, يمكن أن يتبخر المكون بشكل أسرع, يحتمل أن تحسن درجة الإنتاج في مجموعة متنوعة من الظروف.

مع ذلك, قد لا يكون ليزر الفيمتو ثانية دائمًا أكثر ملاءمة من ليزر بيكو ثانية, خاصة إذا كانت مدة النبض بالفعل أقل من فترة ترابط الإلكترون والفوتون. هناك اعتبار إضافي لتقنية الفيمتو ثانية وهو أن طاقات الضوء العالية بشكل غير عادي التي يتم الحصول عليها من نبضات الفيمتوثانية تنتج خصائص غير خطية يمكن تسخيرها.

نظرًا لأن امتصاص الفوتون المصحوب بانهيار جليدي مؤين يصبح قويًا بشكل خاص, يمكن جمع طاقة الليزر هذه بما في ذلك في وسائط شفافة حقًا مثل الزجاج أو البلورات. لم تعد هذه المواد أكثر وضوحًا لطاقة الليزر. في هذا القطاع, يمكن أن تكون أطوال النبض فيمتوثانية مفيدة, إذا لم يكن ذلك مطلوبًا.

يمكن استخدام ليزر الفيمتو ثانية لتقطيع مجموعة متنوعة من المواد بالليزر, ولا سيما المعادن, المواد البوليمرية (بلاستيك), مواد خزفية, نظارات, أشباه الموصلات, والمواد العازلة المتبلورة (بما في ذلك الماس). بعض الأحيان, يمكن استخدام نظام ليزر مشابه لمعالجة المواد المتنوعة بوضوح.

الاستخدامات الطبية

غالبًا ما تستخدم تقنية الفيمتو ثانية في الطب, في الغالب في النظام البصري لجراحة الليزر فيمتوثانية. على سبيل المثال, غالبًا ما تستخدم نبضات الفيمتو ثانية في وضع العدسة الفعال, جراحة العيون (تصحيح البصر), مثل الفيمتو ليزك أو جراحة استبدال العدسة. إنه تطبيق آخر تكون فيه فترات النبض الصغيرة جدًا في متناول اليد. في الكثير من الاستخدامات الطبية الأخرى, يستخدم ليزر الفيمتو في التشخيص الطبي. تقنيات الفحص المجهري بالليزر مفيدة جدًا في هذا السياق.

بعد استخدام تقنية الليزر لإزالة الأنسجة الزائدة المحيطة بالقرنية, تم استخدام تقنية ليزر الفيمتو ثانية للسماح بمزيد من الدقة في التحكم في الأنسجة داخل السدى والقضاء عليها. تقدم منصات ليزر الفيمتو ثانية العديد من الفوائد العلاجية القائمة على جراحة القرنية. لقد مكن ليزر الفيمتو ثانية بالفعل من تحديد الموضع بإجراءات انكسارية دقيقة في طب العيون, لكن الكثيرين يتوقعون بفارغ الصبر نمو النتائج السريرية الجديدة.

لنبدء ب, تقترب جراحة الساد بمساعدة ليزر الفيمتوثانية من القبول, مع العديد من الجراحين يدرسون الآن سلامتها وفعاليتها. يتم أيضًا دمج أدوات التشخيص في منصة ليزر الفيمتو ثانية لتقييم عين المريض مباشرة تحت الجهاز. يجمع هذا الإجراء الانكساري خصائص القرنية الحرجة, مثل سمك القرنية, في حين أن العين راسية, التأكد من أن جراحة العيون مقصورة على المنطقة المحددة.

الفحص المجهري بالليزر

أصبحت التطبيقات المساعدة بالليزر الفيمتو ثانية أيضًا مهمة للغاية في الفحص المجهري بالليزر, مثل التصوير الفلوري. في هذه الحالة, التحفيز متعدد الفوتون (اعتمادا على امتصاص متعدد الفوتون) يستخدم على نطاق واسع, ويفضل أن تكون فترات النبض صغيرة جدًا. يمكن أيضًا استخدام التحليل الطيفي لرامان المحفز.

قياسات

يمكن استخدام ليزر الفيمتو ثانية لمجموعة متنوعة من القياسات. إنها حاسمة في الساعات البصرية الحالية, على سبيل المثال, يعمل كمعيار تردد موثوق للغاية بالإضافة إلى آلية الساعة المرئية التي تخلق اتصالًا متماسكًا بين العديد من الترددات الضوئية والميكروويف المتميزة.

هناك العديد من الاستخدامات البعد, مثل تقدير المسافة LIDAR, قياس التداخل, وأبعاد مسبار المضخة في استخدام ليزر الفيمتو ثانية. تتيح التقنية الأخيرة التحقيق في الأنشطة فائقة السرعة باستخدام منصات ليزر فيمتوثانية, مثل تلك التي تظهر في الكيمياء والكيمياء الحيوية.

الإتصالات

يمكن استخدام ليزر الفيمتو ثانية في مجموعة متنوعة من الطرق في أنظمة اتصالات الألياف الضوئية. عن طريق تقسيم الطيف لعرض النطاق الترددي نبضات فيمتوثانية, على سبيل المثال, من الممكن إنشاء مضاعفة تقسيم الطول الموجي الكثيف بسعة قناة ضخمة إلى حد ما (غالباً >1000). بالإضافة إلى, باستخدام مضاعفة تقسيم الوقت, قد يحصل المرء على معدلات بيانات كبيرة للغاية من >1 Tbit / ثانية.

خاتمة

أدى تطور تقنية ليزر الفيمتو ثانية إلى تعزيز قدرتها على الاستخدام في مجموعة متنوعة من الصناعات. كأسلوب متطور, توفر تقنية ليزر الفيمتو ثانية العديد من الفوائد في مجموعة متنوعة من الإعدادات الطبية. مع التطوير المستمر وتعزيز ليزر الفيمتوثانية الصناعي مع اعتمادية ممتازة, سيتم توظيفهم في مجموعة واسعة من التطبيقات.