Einzigartiger Ultrakurzpulslaser Teil zwei

EinzigartigUltrakurzpulslaserTeil zwei

Dispersion und Impulsausbreitung: Gruppenlaufzeitdispersion
Eine der schwierigsten technischen Herausforderungen bei der Verwendung von Ultrakurzpulslasern besteht darin, die Dauer der ultrakurzen Pulse, die zunächst vom Laser emittiert werden, aufrechtzuerhalten.LaserUltrakurzpulslaser sind sehr anfällig für Zeitverzerrungen, die die Pulse verlängern. Dieser Effekt verstärkt sich mit zunehmender Dauer des ersten Pulses. Ultrakurzpulslaser können Pulse mit einer Dauer von 50 Sekunden emittieren, diese können jedoch durch den Einsatz von Spiegeln und Linsen zur Übertragung des Pulses zum Zielort oder sogar durch die Übertragung des Pulses durch die Luft zeitlich verstärkt werden.

Diese Zeitverzerrung wird mithilfe der sogenannten gruppenverzögerten Dispersion (GDD), auch Dispersion zweiter Ordnung genannt, quantifiziert. Zwar gibt es auch Dispersionsterme höherer Ordnung, die die Zeitverteilung von Ultrakurzpulslasern beeinflussen können, doch in der Praxis reicht es meist aus, nur den Effekt der GDD zu untersuchen. Die GDD ist ein frequenzabhängiger Wert, der linear proportional zur Dicke eines bestimmten Materials ist. Transmissionsoptiken wie Linsen, Fenster und Objektivkomponenten weisen typischerweise positive GDD-Werte auf, was darauf hindeutet, dass komprimierte Impulse der Transmissionsoptik eine längere Impulsdauer verleihen können als die vonLasersystemeKomponenten mit niedrigeren Frequenzen (d. h. längeren Wellenlängen) breiten sich schneller aus als Komponenten mit höheren Frequenzen (d. h. kürzeren Wellenlängen). Da der Puls immer mehr Materie durchdringt, verlängert sich seine Wellenlänge mit der Zeit immer weiter. Bei kürzeren Pulsdauern und damit größeren Bandbreiten verstärkt sich dieser Effekt noch weiter und kann zu einer erheblichen Verzerrung der Pulszeit führen.

Ultrakurzpulslaseranwendungen
Spektroskopie
Seit der Entwicklung ultraschneller Laserquellen ist die Spektroskopie eines ihrer Hauptanwendungsgebiete. Durch die Reduzierung der Pulsdauer auf Femtosekunden oder sogar Attosekunden lassen sich dynamische Prozesse in Physik, Chemie und Biologie beobachten, die bisher nicht beobachtbar waren. Einer der Schlüsselprozesse ist die Atombewegung, deren Beobachtung das wissenschaftliche Verständnis grundlegender Prozesse wie Molekülschwingungen, Moleküldissoziation und Energietransfer in photosynthetischen Proteinen verbessert hat.

Biobildgebung
Ultrakurzpulslaser mit Spitzenleistung unterstützen nichtlineare Prozesse und verbessern die Auflösung für biologische Bildgebung, wie beispielsweise die Mehrphotonenmikroskopie. In einem Mehrphotonensystem 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 Hintergrundfluoreszenzsignale, die die Untersuchung von Einzelphotonenprozessen beeinträchtigen, deutlich reduziert. Der vereinfachte Signalhintergrund ist dargestellt. Der kleinere Anregungsbereich des Mehrphotonenmikroskops verhindert zudem Phototoxizität und minimiert Probenschäden.

Abbildung 1: Ein Beispieldiagramm eines Strahlengangs in einem Multiphotonenmikroskop-Experiment

Lasermaterialbearbeitung
Ultrakurzpulslaser haben die Laser-Mikrobearbeitung und Materialbearbeitung revolutioniert, da ultrakurze Pulse auf einzigartige Weise mit Materialien interagieren. Wie bereits bei der LDT erwähnt, ist die Dauer des ultrakurzen Pulses kürzer als die Zeitskala der Wärmediffusion in das Gitter des Materials. Ultrakurzpulslaser erzeugen eine deutlich kleinere Wärmeeinflusszone alsNanosekunden-Pulslaser, was zu geringeren Schnittverlusten und einer präziseren Bearbeitung führt. Dieses Prinzip ist auch in der Medizin anwendbar, wo die höhere Präzision des Ultrafart-Laserschneidens dazu beiträgt, Schäden am umliegenden Gewebe zu reduzieren und das Patientenerlebnis während der Laserchirurgie zu verbessern.

Attosekundenpulse: Die Zukunft ultraschneller Laser
Im Zuge der Weiterentwicklung ultraschneller Laser werden neue und verbesserte Lichtquellen mit kürzeren Pulsdauern entwickelt. Um Einblicke in schnellere physikalische Prozesse zu gewinnen, konzentrieren sich viele Forscher auf die Erzeugung von Attosekundenpulsen – etwa 10–18 s im extrem ultravioletten (XUV) Wellenlängenbereich. Attosekundenpulse ermöglichen die Verfolgung von Elektronenbewegungen und verbessern unser Verständnis der elektronischen Struktur und der Quantenmechanik. Die Integration von XUV-Attosekundenlasern in industrielle Prozesse ist zwar noch nicht weit fortgeschritten, doch laufende Forschung und Fortschritte auf diesem Gebiet werden diese Technologie mit ziemlicher Sicherheit aus dem Labor in die Fertigung bringen, wie dies bereits bei Femtosekunden- und Pikosekundenlasern der Fall war.Laserquellen.