Pengetahuan Profesional

Pembangunan dan aplikasi teknologi laser femtosecond

2021-12-15
Sejak Maman pertama kali memperoleh output nadi laser pada tahun 1960, proses pemampatan manusia lebar nadi laser boleh dibahagikan secara kasar kepada tiga peringkat: peringkat teknologi pensuisan Q, peringkat teknologi penguncian mod, dan peringkat teknologi penguatan nadi berkicau. Penguatan nadi berkicau (CPA) ialah teknologi baharu yang dibangunkan untuk mengatasi kesan pemfokusan diri yang dijana oleh bahan laser keadaan pepejal semasa penguatan laser femtosaat. Ia mula-mula menyediakan denyut ultra-pendek yang dihasilkan oleh laser terkunci mod. "Kicauan positif", kembangkan lebar nadi kepada picosaat atau bahkan nanosaat untuk penguatan, dan kemudian gunakan kaedah pampasan kicauan (kicauan negatif) untuk memampatkan lebar nadi selepas memperoleh penguatan tenaga yang mencukupi. Perkembangan laser femtosaat adalah sangat penting.
Sebelum tahun 1990,laser femtosaatdenyutan telah diperoleh menggunakan teknologi penguncian mod laser pewarna dengan lebar jalur keuntungan yang luas. Walau bagaimanapun, penyelenggaraan dan pengurusan laser pewarna adalah amat rumit, yang mengehadkan penggunaannya. Dengan peningkatan kualiti kristal Ti:Nilam, kristal yang lebih pendek juga boleh digunakan untuk mendapatkan keuntungan yang cukup tinggi untuk mencapai ayunan nadi yang pendek. Pada tahun 1991, Spence et al. membangunkan laser femtosaat Ti:Sapphire terkunci mod kendiri buat kali pertama. Kejayaan pembangunan laser femtosaat Ti:Sapphire lebar nadi 60fs telah menggalakkan penggunaan dan pembangunan laser femtosaat. Pada tahun 1994, penggunaan teknologi penguatan nadi berkicau untuk mendapatkan denyutan laser kurang daripada 10fs, pada masa ini dengan bantuan teknologi penguncian mod kendiri kanta Kerr, teknologi penguatan nadi berkicau parametrik optik, teknologi pengosongan rongga, teknologi penguatan berbilang pas, dsb. boleh membuat laser Lebar nadi dimampatkan kepada kurang daripada 1fs untuk memasuki domain attosaat, dan kuasa puncak nadi laser juga meningkat daripada terawatt (1TW=10^12W) kepada pewatt (1PW=10^15W). Kejayaan utama dalam teknologi laser ini telah mencetuskan perubahan yang meluas dan mendalam dalam banyak bidang.
Dalam bidang fizik, medan elektromagnet berintensiti ultra tinggi yang dihasilkan oleh laser femtosaat boleh menjana neutron relativistik, dan juga boleh memanipulasi secara langsung atom dan molekul. Pada peranti laser gabungan nuklear desktop, nadi laser femtosaat digunakan untuk menyinari gugusan molekul deuterium-tritium. Ia boleh memulakan tindak balas pelakuran nuklear dan menghasilkan sejumlah besar neutron. Apabila laser femtosaat berinteraksi dengan air, ia boleh menyebabkan deuterium isotop hidrogen menjalani tindak balas pelakuran nuklear, menjana sejumlah besar tenaga. Menggunakan laser femtosaat untuk mengawal pelakuran nuklear boleh memperoleh tenaga gabungan nuklear yang boleh dikawal. Di Makmal Fizik Universe, plasma berketumpatan tenaga tinggi yang dijana oleh denyutan cahaya ultra-tinggi intensiti laser femtosaat boleh menghasilkan semula fenomena dalaman Bima Sakti dan bintang di atas tanah. Kaedah resolusi masa femtosaat boleh memerhati dengan jelas perubahan molekul yang diletakkan dalam ruang nano dan keadaan elektronik dalaman mereka pada skala masa femtosaat.
Dalam bidang bioperubatan, disebabkan oleh kuasa puncak yang tinggi dan ketumpatan kuasa laser femtosaat, pelbagai kesan bukan linear seperti pengionan multifoton dan kesan pemfokusan diri sering disebabkan apabila berinteraksi dengan pelbagai bahan. Pada masa yang sama, masa interaksi antara laser femtosecond dan tisu biologi adalah tidak penting berbanding dengan masa kelonggaran haba tisu biologi (mengikut susunan ns). Bagi tisu biologi, kenaikan suhu beberapa darjah akan menjadi gelombang tekanan kepada saraf. Sel menghasilkan kesakitan dan kerosakan haba pada sel, jadi laser femtosecond boleh mencapai rawatan tanpa rasa sakit dan tanpa haba. Laser femtosecond mempunyai kelebihan tenaga yang rendah, kerosakan kecil, ketepatan yang tinggi dan kedudukan yang ketat dalam ruang tiga dimensi, yang boleh memenuhi keperluan khas bidang bioperubatan pada tahap yang paling besar. Laser femtosecond digunakan untuk merawat gigi untuk mendapatkan saluran yang bersih dan kemas tanpa sebarang kerosakan tepi, mengelakkan pengaruh tekanan mekanikal dan tekanan haba yang disebabkan oleh laser nadi panjang (seperti Er:YAG), kalsifikasi, retak dan permukaan kasar. Apabila laser femtosecond digunakan pada pemotongan halus tisu biologi, luminescence plasma semasa interaksi laser femtosecond dengan tisu biologi boleh dianalisis dengan spektrum, dan tisu tulang dan tisu rawan boleh dikenal pasti, untuk menentukan dan mengawal apa diperlukan dalam proses rawatan pembedahan Tenaga nadi. Teknik ini sangat penting untuk pembedahan saraf dan tulang belakang. Laser femtosaat dengan julat panjang gelombang 630-1053nm boleh melakukan pemotongan pembedahan bukan haba yang selamat, bersih, berketepatan tinggi dan ablasi tisu otak manusia. Laser femtosaat dengan panjang gelombang 1060nm, lebar nadi 800fs, frekuensi ulangan nadi 2kHz, dan tenaga nadi 40μJ boleh melakukan operasi pemotongan kornea yang bersih dan berketepatan tinggi. Laser femtosecond mempunyai ciri-ciri tanpa kerosakan haba, yang sangat penting untuk revaskularisasi miokardium laser dan angioplasti laser. Pada tahun 2002, Pusat Laser Hannover di Jerman menggunakan laser femtosaat untuk melengkapkan penghasilan terobosan struktur stent vaskular pada bahan polimer baharu. Berbanding dengan stent keluli tahan karat sebelumnya, stent vaskular ini mempunyai keserasian bio dan keserasian biologi yang baik. Keterdegradan adalah sangat penting untuk rawatan penyakit jantung koronari. Dalam ujian klinikal dan bioassay, teknologi laser femtosecond secara automatik boleh memotong tisu biologi organisma pada tahap mikroskopik, dan mendapatkan imej tiga dimensi definisi tinggi. Teknologi ini sangat penting untuk diagnosis dan rawatan kanser dan kajian mutasi genetik haiwan.
Dalam bidang kejuruteraan genetik. Pada tahun 2001, K.Konig dari Jerman menggunakan Ti:Sapphirelaser femtosaatuntuk melakukan operasi skala nano pada DNA manusia (kromosom) (lebar pemotongan minimum 100nm). Pada tahun 2002, U.irlapur dan Koing menggunakan alaser femtosaatuntuk membuat mikropori boleh balik dalam membran sel kanser, dan kemudian membenarkan DNA memasuki sel melalui lubang ini. Kemudian, pertumbuhan sel sendiri menutup lubang, dengan itu berjaya mencapai pemindahan gen. Teknik ini mempunyai kelebihan kebolehpercayaan yang tinggi dan kesan pemindahan yang baik, dan sangat penting untuk pemindahan bahan genetik asing ke dalam pelbagai sel termasuk sel stem. Dalam bidang kejuruteraan sel, laser femtosecond digunakan untuk mencapai operasi pembedahan nano dalam sel hidup tanpa merosakkan membran sel. Teknik operasi laser femtosaat ini mempunyai kepentingan positif untuk penyelidikan terapi gen, dinamik sel, kekutuban sel, rintangan dadah, dan komponen sel yang berbeza dan struktur heterogen subselular.
Dalam bidang komunikasi gentian optik, masa tindak balas bahan peranti optoelektronik semikonduktor adalah "sekatan" yang menyekat komunikasi gentian optik kelajuan super-komersial. Penggunaan teknologi kawalan koheren femtosecond menjadikan kelajuan suis optik semikonduktor mencapai 10000Gbit/s, yang akhirnya boleh mencapai had teori mekanik kuantum. . Selain itu, teknologi pembentuk gelombang Fourier bagi denyutan laser femtosaat digunakan pada komunikasi optik berkapasiti besar seperti pemultipleksan pembahagian masa, pemultipleksan pembahagian panjang gelombang dan akses berbilang pembahagian kod, dan kadar penghantaran data 1Tbit/s boleh diperolehi.
Dalam bidang pemprosesan ultra-halus, kesan pemfokusan diri yang kuatlaser femtosaatdenyutan dalam media lutsinar menjadikan titik fokus laser lebih kecil daripada had pembelauan, menyebabkan letupan mikro di dalam bahan lutsinar membentuk piksel stereo dengan diameter sub-mikron. Menggunakan kaedah ini, storan optik tiga dimensi berketumpatan tinggi boleh dilakukan, dan ketumpatan storan boleh mencapai 10^12bits/cm3. Dan boleh merealisasikan membaca, menulis, dan akses rawak data selari dengan pantas. Perbincangan silang antara lapisan bit data bersebelahan adalah sangat kecil, dan teknologi storan tiga dimensi telah menjadi hala tuju penyelidikan baharu dalam pembangunan teknologi storan massa semasa. Pandu gelombang optik, pembahagi rasuk, pengganding, dsb. ialah komponen optik asas optik bersepadu. Menggunakan laser femtosaat pada platform pemprosesan terkawal komputer, pandu gelombang optik dua dimensi dan tiga dimensi dalam sebarang bentuk boleh dibuat pada sebarang kedudukan di dalam bahan. , Pembahagi rasuk, pengganding dan peranti fotonik lain, dan boleh digabungkan dengan gentian optik standard, menggunakan laser femtosaat juga boleh membuat 45 ° cermin mikro di dalam kaca fotosensitif, dan kini litar optik yang terdiri daripada 3 cermin mikro dalaman telah dihasilkan , Boleh membuat rasuk berputar 270° dalam kawasan 4mmx5mm. Secara lebih saintifik, saintis di Amerika Syarikat baru-baru ini menggunakan laser femtosecond untuk mencipta pandu gelombang optik keuntungan sepanjang 1cm, yang boleh menjana keuntungan isyarat 3dB/cm berhampiran 1062nm.
Kisi gentian Bragg mempunyai ciri pemilihan frekuensi yang berkesan, mudah digandingkan dengan sistem komunikasi gentian dan mempunyai kehilangan yang rendah. Oleh itu, ia mempamerkan ciri penghantaran yang kaya dalam domain frekuensi dan telah menjadi tempat tumpuan penyelidikan peranti gentian optik. Pada tahun 2000, Kawamora K et al. menggunakan dua interferometri laser femtosaat inframerah untuk mendapatkan grating holografik pelepasan permukaan buat kali pertama. Kemudian, dengan perkembangan teknologi pengeluaran dan teknologi, pada tahun 2003 Mihaiby. S et al. menggunakan denyutan laser femtosaat Ti: Sapphire digabungkan dengan plat fasa tertib sifar untuk mendapatkan grating Bragg reflektif pada teras gentian komunikasi. Ia mempunyai julat modulasi indeks biasan yang tinggi dan kestabilan suhu yang baik.
Kristal fotonik ialah struktur dielektrik dengan modulasi berkala indeks biasan di angkasa, dan tempoh perubahannya adalah susunan magnitud yang sama dengan panjang gelombang cahaya. Peranti kristal fotonik ialah peranti baharu yang mengawal pembiakan foton, dan telah menjadi tempat tumpuan penyelidikan dalam bidang fotonik. Pada tahun 2001, Sun H B et al. menggunakan laser femtosaat untuk membuat kristal fotonik dengan kekisi sewenang-wenang dalam kaca silika terdop germanium, yang boleh memilih atom individu secara individu. Pada tahun 2003, Serbin J et al. menggunakan laser femtosaat untuk mendorong pempolimeran dua foton bahan hibrid bukan organik-organik untuk mendapatkan struktur mikro tiga dimensi dan hablur fotonik dengan saiz struktur kurang daripada 200nm dan tempoh 450nm.
Laser femtosaat telah mencapai hasil terobosan dalam bidang pemprosesan peranti mikrofotonik, supaya penyambung arah, penapis laluan jalur, pemultipleks, suis optik, penukar panjang gelombang dan modulator boleh diproses pada gelung gelombang cahaya Planar "cip" dengan komponen lain adalah mungkin. Meletakkan asas untuk peranti fotonik untuk menggantikan peranti elektronik.
Teknologi photomask dan litografi ialah teknologi utama dalam bidang mikroelektronik, yang berkaitan secara langsung dengan kualiti dan kecekapan pengeluaran produk litar bersepadu. Laser femtosaat boleh digunakan untuk membaiki kecacatan topeng foto, dan lebar talian yang dibaiki boleh mencapai ketepatan kurang daripada 100nm. Thelaser femtosaatteknologi penulisan langsung boleh digunakan untuk menghasilkan topeng foto berkualiti tinggi dengan cepat dan berkesan. Keputusan ini sangat penting untuk mikro Perkembangan teknologi elektronik adalah sangat penting.