Einzigartiger ultraschneller Laser, Teil zwei

Einzigartigultraschneller LaserTeil zwei

Dispersion und Impulsausbreitung: Gruppenlaufzeitdispersion
Eine der größten technischen Herausforderungen beim Einsatz von Ultrakurzpulslasern besteht darin, die Dauer der anfänglich ausgesendeten ultrakurzen Pulse aufrechtzuerhalten.LaserUltrakurze Laserpulse sind sehr anfällig für Zeitverzerrungen, wodurch sie sich verlängern. Dieser Effekt verstärkt sich mit abnehmender Dauer des ursprünglichen Pulses. Ultrakurze Laser können zwar Pulse mit einer Dauer von 50 Sekunden aussenden, diese lassen sich jedoch mithilfe von Spiegeln und Linsen zeitlich verlängern, um den Puls zum Zielort zu übertragen oder ihn sogar einfach durch die Luft zu senden.

Diese Zeitverzerrung wird mithilfe eines Maßes namens Gruppenverzögerungsdispersion (GDD), auch bekannt als Dispersion zweiter Ordnung, quantifiziert. Tatsächlich existieren auch Dispersionsterme höherer Ordnung, die die Zeitverteilung von Ultraviolett-Laserpulsen beeinflussen können, in der Praxis genügt es jedoch meist, den Effekt der GDD zu untersuchen. Die GDD ist ein frequenzabhängiger Wert, der linear proportional zur Dicke eines gegebenen Materials ist. Transmissionsoptische Komponenten wie Linsen, Fenster und Objektive weisen typischerweise positive GDD-Werte auf, was bedeutet, dass komprimierte Pulse den Transmissionsoptiken eine längere Pulsdauer verleihen können als die von anderen Komponenten emittierten Pulse.LasersystemeKomponenten mit niedrigeren Frequenzen (d. h. längeren Wellenlängen) breiten sich schneller aus als Komponenten mit höheren Frequenzen (d. h. kürzeren Wellenlängen). Je mehr Materie der Puls durchdringt, desto länger dehnt sich seine Wellenlänge aus. Bei kürzeren Pulsdauern und damit größeren Bandbreiten verstärkt sich dieser Effekt und kann zu erheblichen Pulszeitverzerrungen führen.

Anwendungen von Ultrakurzpulslasern
Spektroskopie
Seit der Entwicklung ultraschneller Laserquellen zählt die Spektroskopie zu ihren wichtigsten Anwendungsgebieten. Durch die Reduzierung der Pulsdauer auf Femtosekunden oder sogar Attosekunden lassen sich dynamische Prozesse in Physik, Chemie und Biologie beobachten, die zuvor unmöglich zu erfassen waren. Einer dieser Schlüsselprozesse ist die Atombewegung. Ihre Beobachtung hat das wissenschaftliche Verständnis fundamentaler Prozesse wie Molekülschwingungen, Moleküldissoziation und Energietransfer in photosynthetischen Proteinen deutlich verbessert.

Biobildgebung
Hochleistungs-Ultrakurzpulslaser unterstützen nichtlineare Prozesse und verbessern die Auflösung in der biologischen Bildgebung, beispielsweise in der Multiphotonenmikroskopie. In einem Multiphotonensystem müssen sich zwei Photonen räumlich und zeitlich überlappen, um ein nichtlineares Signal aus einem biologischen Medium oder einem fluoreszierenden Ziel zu erzeugen. Dieser nichtlineare Mechanismus verbessert die Bildauflösung, indem er die Hintergrundfluoreszenzsignale, die Untersuchungen von Einzelphotonenprozessen beeinträchtigen, deutlich reduziert. Das vereinfachte Hintergrundsignal wird veranschaulicht. Die kleinere Anregungsregion des Multiphotonenmikroskops beugt zudem Phototoxizität vor und minimiert Schäden an der Probe.

Abbildung 1: Beispielhaftes Diagramm eines Strahlengangs in einem Multiphotonenmikroskop-Experiment

Laser-Materialbearbeitung
Ultrakurzpulslaser haben die Lasermikrobearbeitung und Materialverarbeitung revolutioniert, da ultrakurze Pulse auf einzigartige Weise mit Materialien interagieren. Wie bereits erwähnt, ist die Pulsdauer bei der Laserzertrümmerung (LDT) kürzer als die Zeitskala der Wärmediffusion in das Materialgitter. Ultrakurzpulslaser erzeugen daher eine deutlich kleinere Wärmeeinflusszone als herkömmliche Laser.Nanosekunden-PulslaserDies führt zu geringeren Schnittverlusten und präziserer Bearbeitung. Dieses Prinzip ist auch in der Medizin anwendbar, wo die höhere Präzision des Ultrahochleistungslaserschneidens dazu beiträgt, Schäden am umliegenden Gewebe zu reduzieren und das Patientenerlebnis während der Laserchirurgie zu verbessern.

Attosekundenpulse: Die Zukunft ultraschneller Laser
Mit fortschreitender Forschung im Bereich ultraschneller Laser werden neue und verbesserte Lichtquellen mit kürzeren Pulsdauern entwickelt. Um schnellere physikalische Prozesse zu verstehen, konzentrieren sich viele Forscher auf die Erzeugung von Attosekundenpulsen – etwa 10⁻¹⁸ Sekunden im extremen Ultraviolettbereich (XUV). Attosekundenpulse ermöglichen die Verfolgung von Elektronenbewegungen und verbessern unser Verständnis der elektronischen Struktur und der Quantenmechanik. Obwohl die Integration von XUV-Attosekundenlasern in industrielle Prozesse noch keine signifikanten Fortschritte gemacht hat, werden die laufenden Forschungsarbeiten und Fortschritte auf diesem Gebiet diese Technologie mit hoher Wahrscheinlichkeit aus dem Labor in die Produktion überführen, wie es bereits bei Femtosekunden- und Pikosekundenlasern der Fall war.Laserquellen.