มีเอกลักษณ์เลเซอร์ความเร็วสูงพิเศษตอนที่สอง
การกระจายตัวและการแพร่กระจายของพัลส์: การกระจายตัวของความล่าช้าของกลุ่ม
หนึ่งในความท้าทายทางเทคนิคที่ยากที่สุดที่พบเจอเมื่อใช้เลเซอร์ความเร็วสูงพิเศษคือการรักษาความยาวของพัลส์สั้นพิเศษที่ปล่อยออกมาในตอนแรกเลเซอร์พัลส์ความเร็วสูงนั้นไวต่อการบิดเบือนเวลามาก ซึ่งทำให้พัลส์ยาวขึ้น ผลกระทบนี้จะยิ่งแย่ลงเมื่อระยะเวลาของพัลส์เริ่มต้นสั้นลง แม้ว่าเลเซอร์ความเร็วสูงจะสามารถปล่อยพัลส์ที่มีระยะเวลา 50 วินาทีได้ แต่ก็สามารถขยายระยะเวลาได้โดยใช้กระจกและเลนส์เพื่อส่งพัลส์ไปยังตำแหน่งเป้าหมาย หรือแม้กระทั่งส่งพัลส์ผ่านอากาศก็ได้
การบิดเบือนของเวลาดังกล่าวถูกวัดโดยใช้ค่าที่เรียกว่า การกระจายตัวแบบหน่วงเวลาของกลุ่ม (Group Delayed Dispersion หรือ GDD) หรือที่รู้จักกันในชื่อการกระจายตัวอันดับสอง ในความเป็นจริง ยังมีค่าการกระจายตัวอันดับสูงกว่าที่อาจส่งผลต่อการกระจายตัวของพัลส์เลเซอร์อัลตร้าฟาร์ท แต่ในทางปฏิบัติ การตรวจสอบเฉพาะผลของ GDD ก็เพียงพอแล้ว GDD เป็นค่าที่ขึ้นอยู่กับความถี่และเป็นสัดส่วนเชิงเส้นกับความหนาของวัสดุที่กำหนด โดยทั่วไปแล้ว ชิ้นส่วนทางแสงแบบส่งผ่าน เช่น เลนส์ หน้าต่าง และส่วนประกอบของเลนส์วัตถุ จะมีค่า GDD เป็นบวก ซึ่งบ่งชี้ว่าพัลส์ที่ถูกบีบอัดแล้วสามารถทำให้ชิ้นส่วนทางแสงแบบส่งผ่านมีระยะเวลาพัลส์นานกว่าพัลส์ที่ปล่อยออกมาจากแหล่งกำเนิดแสงระบบเลเซอร์ส่วนประกอบที่มีความถี่ต่ำกว่า (เช่น ความยาวคลื่นยาวกว่า) จะแพร่กระจายเร็วกว่าส่วนประกอบที่มีความถี่สูงกว่า (เช่น ความยาวคลื่นสั้นกว่า) เมื่อคลื่นพัลส์เคลื่อนที่ผ่านสสารมากขึ้นเรื่อยๆ ความยาวคลื่นในพัลส์ก็จะยืดออกไปเรื่อยๆ ตามเวลา สำหรับพัลส์ที่มีระยะเวลาสั้นกว่า และด้วยเหตุนี้จึงมีแบนด์วิดท์กว้างกว่า ผลกระทบนี้จะยิ่งรุนแรงขึ้นและอาจส่งผลให้เกิดการบิดเบือนเวลาของพัลส์อย่างมาก
การใช้งานเลเซอร์ความเร็วสูงพิเศษ
สเปกโทรสโกปี
นับตั้งแต่มีการคิดค้นแหล่งกำเนิดเลเซอร์ความเร็วสูงพิเศษ การสเปกโทรสโกปีก็เป็นหนึ่งในสาขาการประยุกต์ใช้หลัก โดยการลดระยะเวลาของพัลส์ลงเหลือระดับเฟมโตวินาทีหรือแม้แต่แอตโตวินาที ทำให้สามารถสังเกตกระบวนการไดนามิกในฟิสิกส์ เคมี และชีววิทยา ซึ่งในอดีตไม่สามารถสังเกตได้ หนึ่งในกระบวนการสำคัญคือการเคลื่อนที่ของอะตอม และการสังเกตการเคลื่อนที่ของอะตอมได้ช่วยเพิ่มความเข้าใจทางวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับกระบวนการพื้นฐาน เช่น การสั่นของโมเลกุล การแตกตัวของโมเลกุล และการถ่ายโอนพลังงานในโปรตีนสังเคราะห์แสง
การถ่ายภาพทางชีวภาพ
เลเซอร์ความเร็วสูงกำลังสูงสุดช่วยสนับสนุนกระบวนการที่ไม่เป็นเชิงเส้นและปรับปรุงความละเอียดสำหรับการถ่ายภาพทางชีววิทยา เช่น กล้องจุลทรรศน์แบบหลายโฟตอน ในระบบหลายโฟตอน เพื่อสร้างสัญญาณที่ไม่เป็นเชิงเส้นจากตัวกลางทางชีววิทยาหรือเป้าหมายเรืองแสง โฟตอนสองตัวต้องซ้อนทับกันทั้งในเชิงพื้นที่และเวลา กลไกที่ไม่เป็นเชิงเส้นนี้ช่วยปรับปรุงความละเอียดของภาพโดยการลดสัญญาณเรืองแสงพื้นหลังที่รบกวนการศึกษาเกี่ยวกับกระบวนการแบบโฟตอนเดี่ยวได้อย่างมาก ภาพประกอบแสดงให้เห็นถึงสัญญาณพื้นหลังที่เรียบง่าย บริเวณการกระตุ้นที่เล็กกว่าของกล้องจุลทรรศน์แบบหลายโฟตอนยังช่วยป้องกันความเป็นพิษจากแสงและลดความเสียหายต่อตัวอย่างให้น้อยที่สุด
รูปที่ 1: แผนภาพตัวอย่างเส้นทางลำแสงในการทดลองกล้องจุลทรรศน์แบบหลายโฟตอน
การแปรรูปวัสดุด้วยเลเซอร์
แหล่งกำเนิดเลเซอร์ความเร็วสูงพิเศษยังได้ปฏิวัติการตัดเฉือนด้วยเลเซอร์ขนาดเล็กและการแปรรูปวัสดุ เนื่องจากวิธีการปฏิสัมพันธ์ที่เป็นเอกลักษณ์ของพัลส์สั้นพิเศษกับวัสดุ ดังที่กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ เมื่อพูดถึง LDT (Laser Thermal Damage) ระยะเวลาของพัลส์ความเร็วสูงพิเศษนั้นเร็วกว่าช่วงเวลาของการแพร่ความร้อนเข้าไปในโครงสร้างผลึกของวัสดุ เลเซอร์ความเร็วสูงพิเศษจึงสร้างโซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนที่เล็กกว่ามากเลเซอร์พัลส์นาโนวินาทีส่งผลให้การสูญเสียจากการผ่าตัดลดลง และการตัดมีความแม่นยำมากขึ้น หลักการนี้ยังสามารถนำไปใช้ในทางการแพทย์ได้เช่นกัน โดยความแม่นยำที่เพิ่มขึ้นของการตัดด้วยเลเซอร์อัลตร้าฟาร์จะช่วยลดความเสียหายต่อเนื้อเยื่อรอบข้างและปรับปรุงประสบการณ์ของผู้ป่วยในระหว่างการผ่าตัดด้วยเลเซอร์
พัลส์ระดับแอตโตวินาที: อนาคตของเลเซอร์ความเร็วสูงพิเศษ
เนื่องจากงานวิจัยยังคงพัฒนาเลเซอร์ความเร็วสูงอย่างต่อเนื่อง แหล่งกำเนิดแสงใหม่และปรับปรุงแล้วที่มีระยะเวลาพัลส์สั้นลงจึงได้รับการพัฒนาขึ้น เพื่อให้เข้าใจกระบวนการทางกายภาพที่เร็วขึ้น นักวิจัยจำนวนมากจึงมุ่งเน้นไปที่การสร้างพัลส์ระดับแอตโตวินาที ซึ่งมีความยาวคลื่นประมาณ 10⁻¹⁸ วินาที ในช่วงความยาวคลื่นอัลตราไวโอเลตสุดขั้ว (XUV) พัลส์ระดับแอตโตวินาทีช่วยให้สามารถติดตามการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนและปรับปรุงความเข้าใจของเราเกี่ยวกับโครงสร้างอิเล็กตรอนและกลศาสตร์ควอนตัม แม้ว่าการบูรณาการเลเซอร์แอตโตวินาที XUV เข้ากับกระบวนการทางอุตสาหกรรมยังไม่คืบหน้าอย่างมีนัยสำคัญ แต่การวิจัยและความก้าวหน้าอย่างต่อเนื่องในสาขานี้จะผลักดันเทคโนโลยีนี้ออกจากห้องปฏิบัติการและเข้าสู่การผลิตอย่างแน่นอน เช่นเดียวกับกรณีของเฟมโตวินาทีและพิโควินาทีแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์.
วันที่เผยแพร่: 25 มิถุนายน 2024