เลเซอร์อัลตร้าเร็วพิเศษส่วนที่ 2

มีเอกลักษณ์เลเซอร์เร็วมากส่วนที่สอง

การกระจายตัวและการแพร่กระจายของพัลส์: การกระจายตัวล่าช้าของกลุ่ม
หนึ่งในความท้าทายทางเทคนิคที่ยากที่สุดที่พบในการใช้เลเซอร์ที่เร็วมากคือการรักษาระยะเวลาของพัลส์สั้นพิเศษที่ปล่อยออกมาจากเลเซอร์- พัลส์ที่เร็วมากไวต่อการบิดเบือนเวลามาก ซึ่งทำให้พัลส์ยาวขึ้น ผลกระทบนี้จะแย่ลงเมื่อระยะเวลาของชีพจรเริ่มแรกสั้นลง แม้ว่าเลเซอร์ที่เร็วมากสามารถปล่อยพัลส์ได้ในระยะเวลา 50 วินาที แต่สามารถขยายพัลส์ได้ทันเวลาโดยใช้กระจกและเลนส์เพื่อส่งพัลส์ไปยังตำแหน่งเป้าหมาย หรือแม้แต่ส่งพัลส์ผ่านอากาศเท่านั้น

การบิดเบือนครั้งนี้ถูกวัดปริมาณโดยใช้การวัดที่เรียกว่าการกระจายแบบหน่วงเวลาแบบกลุ่ม (GDD) หรือที่เรียกว่าการกระจายแบบลำดับที่สอง ในความเป็นจริง ยังมีเงื่อนไขการกระจายที่มีลำดับสูงกว่าซึ่งอาจส่งผลต่อการกระจายเวลาของพัลส์อัลตราฟาร์ต-เลเซอร์ แต่ในทางปฏิบัติ เพียงตรวจสอบผลกระทบของ GDD ก็เพียงพอแล้ว GDD เป็นค่าที่ขึ้นอยู่กับความถี่ซึ่งเป็นสัดส่วนเชิงเส้นตรงกับความหนาของวัสดุที่กำหนด เลนส์ส่งผ่านเช่นเลนส์ หน้าต่าง และส่วนประกอบวัตถุประสงค์มักจะมีค่า GDD เป็นบวก ซึ่งบ่งชี้ว่าเมื่อพัลส์ที่ถูกบีบอัดจะทำให้เลนส์ส่งผ่านมีระยะเวลาพัลส์นานกว่าที่ปล่อยออกมาจากระบบเลเซอร์- ส่วนประกอบที่มีความถี่ต่ำกว่า (เช่น ความยาวคลื่นที่ยาวกว่า) แพร่กระจายได้เร็วกว่าส่วนประกอบที่มีความถี่สูงกว่า (เช่น ความยาวคลื่นที่สั้นกว่า) เมื่อพัลส์เคลื่อนผ่านสสารมากขึ้นเรื่อยๆ ความยาวคลื่นในพัลส์จะขยายต่อไปตามเวลามากขึ้นเรื่อยๆ สำหรับระยะเวลาพัลส์ที่สั้นลง และแบนด์วิดธ์ที่กว้างขึ้น ผลกระทบนี้จะถูกขยายออกไปอีก และอาจส่งผลให้เกิดการบิดเบือนเวลาพัลส์อย่างมีนัยสำคัญ

การใช้งานเลเซอร์ที่รวดเร็วเป็นพิเศษ
สเปกโทรสโกปี
นับตั้งแต่มีแหล่งกำเนิดเลเซอร์ที่เร็วมาก สเปกโทรสโกปีก็เป็นหนึ่งในขอบเขตการใช้งานหลัก ด้วยการลดระยะเวลาการเต้นของชีพจรลงเหลือเฟมโตวินาทีหรือแม้แต่เอตโตวินาที กระบวนการไดนามิกในฟิสิกส์ เคมี และชีววิทยา ซึ่งในอดีตเป็นไปไม่ได้ที่จะสังเกตเห็นได้สำเร็จแล้ว หนึ่งในกระบวนการสำคัญคือการเคลื่อนที่ของอะตอม และการสังเกตการเคลื่อนที่ของอะตอมได้ปรับปรุงความเข้าใจทางวิทยาศาสตร์ของกระบวนการพื้นฐาน เช่น การสั่นสะเทือนของโมเลกุล การแยกตัวของโมเลกุล และการถ่ายโอนพลังงานในโปรตีนสังเคราะห์แสง

การสร้างภาพทางชีวภาพ
เลเซอร์ความเร็วสูงพิเศษกำลังสูงสุดรองรับกระบวนการไม่เชิงเส้นและปรับปรุงความละเอียดสำหรับการถ่ายภาพทางชีวภาพ เช่น กล้องจุลทรรศน์หลายโฟตอน ในระบบมัลติโฟตอน เพื่อสร้างสัญญาณไม่เชิงเส้นจากตัวกลางทางชีวภาพหรือเป้าหมายเรืองแสง โฟตอนสองตัวจะต้องซ้อนทับกันในอวกาศและเวลา กลไกไม่เชิงเส้นนี้ปรับปรุงความละเอียดของภาพโดยลดสัญญาณเรืองแสงพื้นหลังลงอย่างมากซึ่งรบกวนการศึกษากระบวนการโฟตอนเดี่ยว ภาพประกอบพื้นหลังสัญญาณแบบง่าย บริเวณกระตุ้นที่เล็กกว่าของกล้องจุลทรรศน์มัลติโฟตอนยังช่วยป้องกันความเป็นพิษต่อแสงและลดความเสียหายต่อตัวอย่างให้เหลือน้อยที่สุด

รูปที่ 1: แผนภาพตัวอย่างเส้นทางลำแสงในการทดลองด้วยกล้องจุลทรรศน์หลายโฟตอน

การประมวลผลวัสดุเลเซอร์
แหล่งกำเนิดเลเซอร์ที่เร็วเป็นพิเศษยังได้ปฏิวัติการใช้เลเซอร์ไมโครแมชชีนนิ่งและการประมวลผลวัสดุด้วยวิธีการเฉพาะที่พัลส์ที่สั้นเกินจะโต้ตอบกับวัสดุ ตามที่กล่าวไว้ข้างต้น เมื่อพูดถึง LDT ระยะเวลาพัลส์ที่เร็วมากจะเร็วกว่ามาตราส่วนเวลาของการแพร่กระจายความร้อนเข้าสู่ตาข่ายของวัสดุ เลเซอร์ที่เร็วมากจะสร้างโซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนน้อยกว่ามากเลเซอร์พัลซิ่งระดับนาโนวินาทีส่งผลให้สูญเสียรอยบากน้อยลงและการตัดเฉือนที่แม่นยำยิ่งขึ้น หลักการนี้ยังใช้ได้กับการใช้งานทางการแพทย์ด้วย โดยความแม่นยำที่เพิ่มขึ้นของการตัดด้วยเลเซอร์อัลตราฟาร์ตจะช่วยลดความเสียหายต่อเนื้อเยื่อโดยรอบ และปรับปรุงประสบการณ์ของผู้ป่วยในระหว่างการผ่าตัดด้วยเลเซอร์

พัลส์ Attosecond: อนาคตของเลเซอร์ที่เร็วมาก
เนื่องจากการวิจัยยังคงพัฒนาเลเซอร์ที่เร็วเป็นพิเศษอย่างต่อเนื่อง จึงมีการพัฒนาแหล่งกำเนิดแสงใหม่ที่ได้รับการปรับปรุงซึ่งมีระยะเวลาพัลส์ที่สั้นลง เพื่อให้ได้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับกระบวนการทางกายภาพที่รวดเร็วขึ้น นักวิจัยจำนวนมากมุ่งเน้นไปที่การสร้างพัลส์ของแอตโตวินาที – ประมาณ 10-18 วินาทีในช่วงความยาวคลื่นอัลตราไวโอเลตสุดขั้ว (XUV) พัลส์ของแอตโตวินาทีช่วยให้ติดตามการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนและปรับปรุงความเข้าใจเกี่ยวกับโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์และกลศาสตร์ควอนตัมได้ ในขณะที่การบูรณาการเลเซอร์ XUV อัตโตวินาทีเข้ากับกระบวนการทางอุตสาหกรรมยังไม่มีความคืบหน้าอย่างมีนัยสำคัญ การวิจัยอย่างต่อเนื่องและความก้าวหน้าในสาขานี้เกือบจะผลักดันเทคโนโลยีนี้ออกจากห้องปฏิบัติการและไปสู่การผลิตได้อย่างแน่นอน เช่นเดียวกับในกรณีของ femtosecond และ picosecondแหล่งเลเซอร์.