Utvecklingen och tillämpningen av femtosekundlaserteknologi
2021-12-15
Sedan Maman först erhöll laserpulsutmatning 1960, kan processen med mänsklig komprimering av laserpulsbredd grovt delas in i tre steg: Q-switching-tekniksteget, modelåsningstekniksteget och chirped pulsförstärkningstekniksteget. Chirped pulse amplification (CPA) är en ny teknik utvecklad för att övervinna den självfokuserande effekten som genereras av solid-state lasermaterial under femtosekundlaserförstärkning. Den ger först ultrakorta pulser som genereras av lägeslåsta lasrar. "Positiv chirp", utöka pulsbredden till pikosekunder eller till och med nanosekunder för förstärkning och använd sedan chirp-kompensationsmetoden (negativ chirp) för att komprimera pulsbredden efter att ha erhållit tillräcklig energiförstärkning. Utvecklingen av femtosekundlasrar är av stor betydelse. Före 1990,femtosekundlaserpulser hade erhållits med användning av färglaserlägeslåsningsteknologi med bred förstärkningsbandbredd. Men underhållet och hanteringen av färglasern är extremt komplicerad, vilket begränsar dess tillämpning. Med förbättringen av kvaliteten på Ti:Sapphire-kristaller kan kortare kristaller också användas för att erhålla tillräckligt höga förstärkningar för att uppnå korta pulsoscillationer. 1991, Spence et al. utvecklade en självlägeslåst Ti:Sapphire femtosekundlaser för första gången. Den framgångsrika utvecklingen av en 60fs pulsbredd Ti:Sapphire femtosekundlaser främjade i hög grad tillämpningen och utvecklingen av femtosekundslasrar. 1994 användes tekniken för chirped pulsförstärkning för att erhålla laserpulser mindre än 10fs, för närvarande med hjälp av Kerr-linsens självlägeslåsningsteknologi, optisk parametrisk chirped pulsförstärkningsteknik, kavitetstömningsteknik, multi-pass förstärkningsteknik, etc. kan göra laser. Pulsbredden komprimeras till mindre än 1fs för att komma in i attosecond-domänen, och laserpulsens toppeffekt ökas också från terawatt (1TW=10^12W) till petawatt (1PW=10^15W). Dessa stora genombrott inom laserteknik har utlöst omfattande och djupgående förändringar inom många områden. Inom fysikområdet kan det ultrahögintensiva elektromagnetiska fältet som genereras av femtosekundlasern generera relativistiska neutroner och kan också direkt manipulera atomer och molekyler. På en stationär kärnfusionslaserenhet används en femtosekundlaserpuls för att bestråla deuterium-tritiummolekylära kluster. Det kan initiera en kärnfusionsreaktion och producera ett stort antal neutroner. När femtosekundlasern interagerar med vatten kan den få väteisotopen deuterium att genomgå en kärnfusionsreaktion, vilket genererar enorma mängder energi. Att använda femtosekundlasrar för att kontrollera kärnfusion kan erhålla kontrollerbar kärnfusionsenergi. I Universe Physics Laboratory kan plasma med hög energitäthet som genereras av ultrahögintensiva ljuspulser från femtosekundlasrar reproducera Vintergatans interna fenomen och stjärnor på marken. Femtosekunds-tidsupplösningsmetoden kan tydligt observera förändringarna av molekylerna placerade i nanorymd och deras interna elektroniska tillstånd på femtosekunders tidsskalan. Inom området för biomedicin, på grund av femtosekundlasrars höga toppeffekt och effekttäthet, orsakas ofta olika icke-linjära effekter såsom multifotonjonisering och självfokuserande effekter när de interagerar med olika material. Samtidigt är interaktionstiden mellan femtosekundlasern och biologiska vävnader obetydlig jämfört med den termiska relaxationstiden för biologiska vävnader (i storleksordningen ns). För biologiska vävnader kommer en temperaturhöjning på några grader att bli en tryckvåg till nerverna. Cellerna ger smärta och värmeskador på cellerna, så femtosekundlasern kan uppnå smärtfri och värmefri behandling. Femtosekundlaser har fördelarna med låg energi, liten skada, hög noggrannhet och strikt positionering i tredimensionellt utrymme, vilket i största möjliga utsträckning kan möta det biomedicinska områdets speciella behov. Femtosekundlasern används för att behandla tänder för att erhålla rena och snygga kanaler utan kantskador, och undviker påverkan av mekanisk stress och termisk stress orsakad av långpulslasrar (som Er:YAG), förkalkning, sprickor och grova ytor. När femtosekundlasern appliceras på finskärning av biologiska vävnader kan plasmaluminescensen under interaktionen mellan femtosekundlasern och biologiska vävnader analyseras med hjälp av spektrum, och benvävnad och broskvävnad kan identifieras för att bestämma och kontrollera vad behövs i den kirurgiska behandlingsprocessen Pulsenergi. Denna teknik är av stor betydelse för nerv- och ryggradskirurgi. Femtosekundlasern med ett våglängdsområde på 630-1053nm kan utföra säker, ren, högprecision icke-termisk kirurgisk skärning och ablation av mänsklig hjärnvävnad. En femtosekundlaser med en våglängd på 1060nm, en pulsbredd på 800fs, en pulsrepetitionsfrekvens på 2kHz och en pulsenergi på 40μJ kan utföra rena, högprecisionsskäroperationer i hornhinnan. Femtosekundlaser har egenskaperna att ingen termisk skada är, vilket är av stor betydelse för lasermyokardiell revaskularisering och laserangioplastik. 2002 använde Hannover Laser Center i Tyskland en femtosekundlaser för att slutföra den banbrytande produktionen av vaskulär stentstruktur på ett nytt polymermaterial. Jämfört med den tidigare stenten i rostfritt stål har denna vaskulära stent god biokompatibilitet och biologisk kompatibilitet. Nedbrytbarhet är av stor betydelse för behandlingen av kranskärlssjukdom. I kliniska tester och bioanalyser kan femtosekundlaserteknologi automatiskt skära organismers biologiska vävnader på mikroskopisk nivå och erhålla högupplösta tredimensionella bilder. Denna teknologi är av stor betydelse för diagnos och behandling av cancer och studiet av genetiska mutationer hos djur 368. Inom området genteknik. 2001 använde K.Konig från Tyskland Ti:Sapphirefemtosekundlaseratt utföra operationer i nanoskala på mänskligt DNA (kromosomer) (minsta skärbredd 100nm). 2002 använde U.irlapur och Koing enfemtosekundlaserför att göra en reversibel mikropor i cancercellsmembranet, och sedan lät DNA komma in i cellen genom detta hål. Senare stängde cellens egen tillväxt hålet och uppnådde således framgångsrikt genöverföring. Denna teknik har fördelarna med hög tillförlitlighet och god transplantationseffekt och är av stor betydelse för transplantation av främmande genetiskt material till olika celler inklusive stamceller. Inom celltekniken används femtosekundlasrar för att åstadkomma nanokirurgiska operationer i levande celler utan att skada cellmembranet. Dessa femtosekundlaseroperationstekniker har positiv betydelse för forskningen inom genterapi, celldynamik, cellpolaritet, läkemedelsresistens och de olika komponenterna i celler och subcellulär heterogen struktur. Inom området för optisk fiberkommunikation är svarstiden för halvledarmaterial för optoelektroniska anordningar "flaskhalsen" som begränsar superkommersiell kommunikation med optisk fiber. Tillämpningen av femtosekunds koherent styrteknik gör att hastigheten för optiska halvledaromkopplare når 10 000 Gbit/s, vilket äntligen kan nå den teoretiska gränsen för kvantmekanik. . Dessutom appliceras Fourier-vågformsteknologin för femtosekundlaserpulser på optisk kommunikation med stor kapacitet såsom tidsmultiplexering, våglängdsmultiplexering och koddelningsmultiplexaccess, och en dataöverföringshastighet på 1Tbit/s kan erhållas. Inom området för ultrafin bearbetning, den starka självfokuserande effekten avfemtosekundlaserpulser i transparenta medier gör laserns brännpunkt mindre än diffraktionsgränsen, vilket orsakar mikroexplosioner inuti det transparenta materialet för att bilda stereopixlar med sub-mikrondiametrar. Med denna metod kan högdensitets tredimensionell optisk lagring utföras och lagringstätheten kan nå 10^12bitar/cm3. Och kan realisera snabb dataläsning, skrivning och parallell dataåtkomst. Överhörningen mellan intilliggande databitlager är mycket liten, och tredimensionell lagringsteknik har blivit en ny forskningsriktning i utvecklingen av nuvarande masslagringsteknologi. Optiska vågledare, stråldelare, kopplare, etc. är de grundläggande optiska komponenterna i integrerad optik. Med hjälp av femtosekundlasrar på en datorstyrd bearbetningsplattform kan tvådimensionella och tredimensionella optiska vågledare av valfri form göras var som helst inuti materialet. , Stråldelare, kopplare och andra fotoniska enheter, och kan kopplas till standard optisk fiber, med femtosekundlaser kan också göra 45 ° mikrospegel inuti det ljuskänsliga glaset, och nu har en optisk krets som består av 3 interna mikrospeglar producerats , Kan få strålen att rotera 270° i området 4mmx5mm. Mer vetenskapligt har forskare i USA nyligen använt femtosekundlasrar för att skapa en 1 cm lång optisk vågledare med förstärkning, som kan generera en signalförstärkning på 3dB/cm nära 1062nm. Fiber Bragg-galler har effektiva frekvensvalsegenskaper, är lätta att koppla ihop med fiberkommunikationssystem och har låga förluster. Därför uppvisar den rika transmissionsegenskaper i frekvensdomänen och har blivit en forskningshotspot för fiberoptiska enheter. År 2000, Kawamora K et al. använde två infraröd femtosekundlaserinterferometri för att erhålla holografiska gitter med ytrelief för första gången. Senare, med utvecklingen av produktionsteknik och teknik, 2003 Mihaiby. S et al. använde Ti:Sapphire femtosekundlaserpulser kombinerat med noll-ordningens fasplattor för att erhålla reflekterande Bragg-gitter på kärnan av kommunikationsfibrer. Den har ett högt brytningsindexmoduleringsområde och god temperaturstabilitet. Den fotoniska kristallen är en dielektrisk struktur med periodisk modulering av brytningsindex i rymden, och dess förändringsperiod är av samma storleksordning som ljusets våglängd. Den fotoniska kristallenheten är en helt ny enhet som kontrollerar utbredningen av fotoner och har blivit en forskningshotspot inom fotonikområdet. År 2001, Sun H B et al. använt femtosekundlasrar för att tillverka fotoniska kristaller med godtyckliga gitter i germaniumdopat kiselglas, som individuellt kan välja individuella atomer. År 2003, Serbin J et al. använde femtosekundlaser för att inducera tvåfotonpolymerisation av oorganiska-organiska hybridmaterial för att erhålla tredimensionella mikrostrukturer och fotoniska kristaller med en strukturstorlek på mindre än 200nm och en period på 450nm. Femtosekundlasrar har uppnått genombrottsresultat inom området för mikrofotonisk enhetsbehandling, så att riktningsanslutningar, bandpassfilter, multiplexorer, optiska omkopplare, våglängdsomvandlare och modulatorer kan bearbetas på ett "chip" Planar ljusvågsslingor med andra komponenter är möjliga. Lade en grund för fotoniska enheter för att ersätta elektroniska enheter. Fotomask- och litografiteknik är en nyckelteknologi inom området mikroelektronik, som är direkt relaterad till kvaliteten och produktionseffektiviteten för integrerade kretsprodukter. Femtosekundlasrar kan användas för att reparera fotomaskens defekter, och den reparerade linjebredden kan nå en noggrannhet på mindre än 100nm. Defemtosekundlaserdirektskrivningsteknik kan användas för att snabbt och effektivt tillverka fotomasker av hög kvalitet. Dessa resultat är mycket viktiga för mikro Utvecklingen av elektronisk teknik är av stor betydelse.
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
