Lo sviluppo e l'applicazione della tecnologia laser a femtosecondi
2021-12-15
Da quando Maman ha ottenuto per la prima volta l'uscita dell'impulso laser nel 1960, il processo di compressione umana dell'ampiezza dell'impulso laser può essere approssimativamente suddiviso in tre fasi: fase della tecnologia di commutazione Q, fase della tecnologia di blocco della modalità e fase della tecnologia di amplificazione dell'impulso cinguettato. L'amplificazione dell'impulso chirped (CPA) è una nuova tecnologia sviluppata per superare l'effetto di autofocalizzazione generato dai materiali laser a stato solido durante l'amplificazione laser a femtosecondi. In primo luogo fornisce impulsi ultracorti generati da laser con modalità bloccata. "Chirp positivo", espandere la larghezza dell'impulso a picosecondi o anche nanosecondi per l'amplificazione, quindi utilizzare il metodo di compensazione chirp (chirp negativo) per comprimere la larghezza dell'impulso dopo aver ottenuto un'amplificazione di energia sufficiente. Lo sviluppo dei laser a femtosecondi è di grande importanza. Prima del 1990,laser a femtosecondigli impulsi erano stati ottenuti utilizzando la tecnologia di blocco della modalità del laser a colorante con un'ampia larghezza di banda di guadagno. Tuttavia, la manutenzione e la gestione del laser a colorante è estremamente complicata, il che ne limita l'applicazione. Con il miglioramento della qualità dei cristalli Ti:zaffiro, è possibile utilizzare anche cristalli più corti per ottenere guadagni sufficientemente elevati da ottenere un'oscillazione dell'impulso breve. Nel 1991 Spence et al. ha sviluppato per la prima volta un laser a femtosecondi Ti: Sapphire con blocco automatico. Il successo dello sviluppo di un laser a femtosecondi Ti:Sapphire con larghezza di impulso di 60fs ha notevolmente promosso l'applicazione e lo sviluppo di laser a femtosecondi. Nel 1994, l'uso della tecnologia di amplificazione dell'impulso chirped per ottenere impulsi laser inferiori a 10 fs, attualmente con l'aiuto della tecnologia di bloccaggio in modalità automatica dell'obiettivo Kerr, della tecnologia di amplificazione dell'impulso chirped parametrico ottico, della tecnologia di svuotamento della cavità, della tecnologia di amplificazione multi-pass, ecc. può produrre il laser La larghezza dell'impulso viene compressa a meno di 1fs per entrare nel dominio degli attosecondi e anche la potenza di picco dell'impulso laser viene aumentata da terawatt (1TW=10^12W) a petawatt (1PW=10^15W). Queste importanti scoperte nella tecnologia laser hanno innescato cambiamenti estesi e profondi in molti campi. Nel campo della fisica, il campo elettromagnetico ad altissima intensità generato dal laser a femtosecondi può generare neutroni relativistici e può anche manipolare direttamente atomi e molecole. Su un dispositivo laser a fusione nucleare desktop, un impulso laser a femtosecondi viene utilizzato per irradiare cluster molecolari di deuterio-trizio. Può avviare una reazione di fusione nucleare e produrre un gran numero di neutroni. Quando il laser a femtosecondi interagisce con l'acqua, può causare una reazione di fusione nucleare dell'isotopo idrogeno deuterio, generando enormi quantità di energia. L'uso di laser a femtosecondi per controllare la fusione nucleare può ottenere energia di fusione nucleare controllabile. Nell'Universe Physics Laboratory, il plasma ad alta densità di energia generato da impulsi luminosi ad altissima intensità di laser a femtosecondi può riprodurre i fenomeni interni della Via Lattea e delle stelle a terra. Il metodo di risoluzione temporale di femtosecondi può osservare chiaramente i cambiamenti delle molecole poste nel nanospazio e i loro stati elettronici interni sulla scala temporale di femtosecondi. Nel campo della biomedicina, a causa dell'elevata potenza di picco e della densità di potenza dei laser a femtosecondi, quando si interagisce con vari materiali vengono spesso causati vari effetti non lineari come la ionizzazione multifotonica e gli effetti di autofocalizzazione. Allo stesso tempo, il tempo di interazione tra il laser a femtosecondi e i tessuti biologici è insignificante rispetto al tempo di rilassamento termico dei tessuti biologici (dell'ordine di ns). Per i tessuti biologici, un aumento della temperatura di pochi gradi diventerà un'onda di pressione sui nervi. Le cellule producono dolore e danno da calore alle cellule, quindi il laser a femtosecondi può ottenere un trattamento indolore e privo di calore. Il laser a femtosecondi presenta i vantaggi di bassa energia, piccoli danni, elevata precisione e posizionamento rigoroso nello spazio tridimensionale, in grado di soddisfare nella massima misura le esigenze speciali del campo biomedico. Il laser a femtosecondi viene utilizzato per trattare i denti per ottenere canali puliti e ordinati senza alcun danno ai bordi, evitando l'influenza di stress meccanici e termici causati da laser a impulsi lunghi (come Er:YAG), calcificazioni, crepe e superfici ruvide. Quando il laser a femtosecondi viene applicato al taglio fine di tessuti biologici, la luminescenza del plasma durante l'interazione del laser a femtosecondi con i tessuti biologici può essere analizzata per spettro e possono essere identificati il tessuto osseo e il tessuto cartilagineo, in modo da determinare e controllare cosa è necessario nel processo di trattamento chirurgico Pulse energy. Questa tecnica è di grande importanza per la chirurgia dei nervi e della colonna vertebrale. Il laser a femtosecondi con una gamma di lunghezze d'onda di 630-1053 nm può eseguire tagli chirurgici non termici sicuri, puliti e ad alta precisione e ablazione del tessuto cerebrale umano. Un laser a femtosecondi con una lunghezza d'onda di 1060 nm, una larghezza dell'impulso di 800 fs, una frequenza di ripetizione dell'impulso di 2 kHz e un'energia dell'impulso di 40 μJ può eseguire operazioni di taglio corneale pulite e ad alta precisione. Il laser a femtosecondi ha le caratteristiche di assenza di danno termico, il che è di grande importanza per la rivascolarizzazione miocardica laser e l'angioplastica laser. Nel 2002, l'Hannover Laser Center in Germania ha utilizzato un laser a femtosecondi per completare la produzione rivoluzionaria della struttura dello stent vascolare su un nuovo materiale polimerico. Rispetto al precedente stent in acciaio inossidabile, questo stent vascolare ha una buona biocompatibilità e compatibilità biologica. La degradabilità è di grande importanza per il trattamento della malattia coronarica. Nei test clinici e nei saggi biologici, la tecnologia laser a femtosecondi può tagliare automaticamente i tessuti biologici degli organismi a livello microscopico e ottenere immagini tridimensionali ad alta definizione. Questa tecnologia è di grande importanza per la diagnosi e il trattamento del cancro e per lo studio delle mutazioni genetiche degli animali 368. Nel campo dell'ingegneria genetica. Nel 2001, K.Konig della Germania ha utilizzato Ti: Sapphirelaser a femtosecondiper eseguire operazioni su scala nanometrica sul DNA umano (cromosomi) (larghezza di taglio minima 100 nm). Nel 2002, U.irlapur e Koing hanno utilizzato alaser a femtosecondiper creare un microporo reversibile nella membrana della cellula cancerosa, e quindi permettere al DNA di entrare nella cellula attraverso questo foro. Successivamente, la stessa crescita della cellula ha chiuso il buco, ottenendo così con successo il trasferimento genico. Questa tecnica presenta i vantaggi di un'elevata affidabilità e di un buon effetto di trapianto ed è di grande importanza per il trapianto di materiale genetico estraneo in varie cellule, comprese le cellule staminali. Nel campo dell'ingegneria cellulare, i laser a femtosecondi vengono utilizzati per eseguire operazioni di nanochirurgia in cellule viventi senza danneggiare la membrana cellulare. Queste tecniche di funzionamento del laser a femtosecondi hanno un significato positivo per la ricerca della terapia genica, della dinamica cellulare, della polarità cellulare, della resistenza ai farmaci e dei diversi componenti delle cellule e della struttura eterogenea subcellulare. Nel campo della comunicazione in fibra ottica, il tempo di risposta dei materiali dei dispositivi optoelettronici a semiconduttore è il "collo di bottiglia" che limita la comunicazione in fibra ottica a velocità super commerciale. L'applicazione della tecnologia di controllo coerente al femtosecondo fa sì che la velocità degli interruttori ottici a semiconduttore raggiunga i 10000 Gbit/s, che possono finalmente raggiungere il limite teorico della meccanica quantistica. . Inoltre, la tecnologia di modellatura della forma d'onda di Fourier degli impulsi laser a femtosecondi viene applicata a comunicazioni ottiche di grande capacità come il multiplexing a divisione di tempo, il multiplexing a divisione di lunghezza d'onda e l'accesso multiplo a divisione di codice, ed è possibile ottenere una velocità di trasmissione dati di 1 Tbit/s. Nel campo dell'elaborazione ultra-fine, il forte effetto autofocus dilaser a femtosecondigli impulsi nei mezzi trasparenti rendono la macchia focale del laser più piccola del limite di diffrazione, provocando microesplosioni all'interno del materiale trasparente per formare pixel stereo con diametri inferiori al micron. Utilizzando questo metodo, è possibile eseguire l'archiviazione ottica tridimensionale ad alta densità e la densità di archiviazione può raggiungere 10^12 bit/cm3. E può realizzare una lettura veloce dei dati, la scrittura e l'accesso casuale ai dati paralleli. La diafonia tra strati di bit di dati adiacenti è molto ridotta e la tecnologia di archiviazione tridimensionale è diventata una nuova direzione di ricerca nello sviluppo dell'attuale tecnologia di archiviazione di massa. Guide d'onda ottiche, divisori di fascio, accoppiatori, ecc. sono i componenti ottici di base dell'ottica integrata. Utilizzando laser a femtosecondi su una piattaforma di elaborazione controllata da computer, è possibile realizzare guide d'onda ottiche bidimensionali e tridimensionali di qualsiasi forma in qualsiasi posizione all'interno del materiale. , Beam splitter, accoppiatore e altri dispositivi fotonici e può essere accoppiato con fibra ottica standard, utilizzando il laser a femtosecondi può anche realizzare un micro-specchio a 45 ° all'interno del vetro fotosensibile, e ora è stato prodotto un circuito ottico composto da 3 micro-specchi interni , Può far ruotare il raggio di 270° nell'area di 4 mm x 5 mm. Più scientificamente, scienziati negli Stati Uniti hanno recentemente utilizzato laser a femtosecondi per creare una guida d'onda ottica con guadagno di 1 cm di lunghezza, che può generare un guadagno di segnale di 3dB/cm vicino a 1062 nm. Il reticolo di Bragg in fibra ha caratteristiche di selezione della frequenza efficaci, è facile da accoppiare con il sistema di comunicazione in fibra e ha una bassa perdita. Pertanto, mostra ricche caratteristiche di trasmissione nel dominio della frequenza ed è diventato un hotspot di ricerca di dispositivi in fibra ottica. Nel 2000, Kawamora K et al. ha utilizzato due interferometria laser a femtosecondi a infrarossi per ottenere per la prima volta reticoli olografici a rilievo superficiale. Successivamente, con lo sviluppo della tecnologia e della tecnologia di produzione, nel 2003 Mihaiby. Set et al. ha utilizzato impulsi laser a femtosecondi Ti: Sapphire combinati con piastre di fase di ordine zero per ottenere reticoli di Bragg riflettenti sul nucleo delle fibre di comunicazione. Ha un alto intervallo di modulazione dell'indice di rifrazione e una buona stabilità alla temperatura. Il cristallo fotonico è una struttura dielettrica con modulazione periodica dell'indice di rifrazione nello spazio e il suo periodo di variazione è dello stesso ordine di grandezza della lunghezza d'onda della luce. Il dispositivo a cristalli fotonici è un dispositivo nuovo di zecca che controlla la propagazione dei fotoni ed è diventato un hotspot di ricerca nel campo della fotonica. Nel 2001, Sun H B et al. utilizzato laser a femtosecondi per fabbricare cristalli fotonici con reticoli arbitrari in vetro di silice drogato con germanio, che possono selezionare individualmente i singoli atomi. Nel 2003, Serbin J et al. ha utilizzato il laser a femtosecondi per indurre la polimerizzazione a due fotoni di materiali ibridi inorganici-organici per ottenere microstrutture tridimensionali e cristalli fotonici con una dimensione della struttura inferiore a 200 nm e un periodo di 450 nm. I laser a femtosecondi hanno ottenuto risultati rivoluzionari nel campo dell'elaborazione dei dispositivi microfotonici, in modo che connettori direzionali, filtri passa-banda, multiplexer, interruttori ottici, convertitori di lunghezza d'onda e modulatori possano essere elaborati su un "chip" Sono possibili loop di onde luminose planari con altri componenti. Ha gettato le basi per i dispositivi fotonici per sostituire i dispositivi elettronici. La tecnologia della fotomaschera e della litografia è una tecnologia chiave nel campo della microelettronica, che è direttamente correlata alla qualità e all'efficienza produttiva dei prodotti a circuito integrato. I laser a femtosecondi possono essere utilizzati per riparare i difetti della fotomaschera e la larghezza della linea riparata può raggiungere una precisione inferiore a 100 nm. Illaser a femtosecondila tecnologia di scrittura diretta può essere utilizzata per produrre fotomaschere di alta qualità in modo rapido ed efficace. Questi risultati sono molto importanti per il micro Lo sviluppo della tecnologia elettronica è di grande importanza.
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