De ontwikkeling en toepassing van femtoseconde lasertechnologie
2021-12-15
Sinds Maman in 1960 voor het eerst laserpulsuitvoer verkreeg, kan het proces van menselijke compressie van de laserpulsbreedte ruwweg worden onderverdeeld in drie fasen: Q-switching-technologiefase, modusvergrendelingstechnologiefase en chirped-pulsversterkingstechnologiefase. Chirped pulse amplification (CPA) is een nieuwe technologie die is ontwikkeld om het zelffocusserende effect te overwinnen dat wordt gegenereerd door lasermaterialen in vaste toestand tijdens femtoseconde laserversterking. Het levert eerst ultrakorte pulsen die worden gegenereerd door lasers met modusvergrendeling. "Positieve chirp", breid de pulsbreedte uit tot picoseconden of zelfs nanoseconden voor versterking, en gebruik vervolgens de chirp-compensatie (negatieve chirp) methode om de pulsbreedte te comprimeren na het verkrijgen van voldoende energieversterking. De ontwikkeling van femtosecondelasers is van groot belang. vóór 1990,femtoseconde laserpulsen waren verkregen met behulp van kleurstoflasermodusvergrendelingstechnologie met een brede versterkingsbandbreedte. Het onderhoud en beheer van de kleurstoflaser is echter buitengewoon ingewikkeld, wat de toepassing ervan beperkt. Met de verbetering van de kwaliteit van Ti:Sapphire-kristallen, kunnen kortere kristallen ook worden gebruikt om voldoende hoge versterkingen te verkrijgen om korte pulsoscillatie te bereiken. In 1991, Spence et al. ontwikkelde voor het eerst een zelf-mode-vergrendelde Ti:Sapphire femtoseconde laser. De succesvolle ontwikkeling van een 60fs pulsbreedte Ti:Sapphire femtoseconde laser heeft de toepassing en ontwikkeling van femtoseconde lasers enorm bevorderd. In 1994 werd het gebruik van chirped-pulsversterkingstechnologie om laserpulsen van minder dan 10 fs te verkrijgen, momenteel met behulp van Kerr-lens-zelfmodusvergrendelingstechnologie, optische parametrische chirped-pulsversterkingstechnologie, holtelegingstechnologie, multi-pass-versterkingstechnologie, enz. kan laser maken De pulsbreedte wordt gecomprimeerd tot minder dan 1fs om het attoseconde domein binnen te gaan, en het piekvermogen van de laserpuls wordt ook verhoogd van terawatt (1TW=10^12W) naar petawatt (1PW=10^15W). Deze grote doorbraken in lasertechnologie hebben geleid tot uitgebreide en diepgaande veranderingen op veel gebieden. Op het gebied van de natuurkunde kan het elektromagnetische veld met ultrahoge intensiteit dat wordt gegenereerd door de femtosecondelaser relativistische neutronen genereren en ook rechtstreeks atomen en moleculen manipuleren. Op een desktop-kernfusielaserapparaat wordt een femtoseconde laserpuls gebruikt om deuterium-tritium moleculaire clusters te bestralen. Het kan een kernfusiereactie initiëren en een groot aantal neutronen produceren. Wanneer de femtosecondelaser in wisselwerking staat met water, kan dit ertoe leiden dat de waterstofisotoop deuterium een kernfusiereactie ondergaat, waardoor enorme hoeveelheden energie worden gegenereerd. Het gebruik van femtosecondelasers om kernfusie te regelen, kan controleerbare kernfusie-energie verkrijgen. In het Universe Physics Laboratory kan plasma met hoge energiedichtheid, gegenereerd door ultrahoge intensiteit lichtpulsen van femtosecondelasers, de interne verschijnselen van de Melkweg en sterren op de grond reproduceren. De femtoseconde-tijdresolutiemethode kan duidelijk de veranderingen waarnemen van de moleculen die in de nanoruimte zijn geplaatst en hun interne elektronische toestanden op de tijdschaal van femtoseconden. Op het gebied van de biogeneeskunde worden, vanwege het hoge piekvermogen en de vermogensdichtheid van femtosecondelasers, vaak verschillende niet-lineaire effecten zoals multifoton-ionisatie en zelffocusserende effecten veroorzaakt bij interactie met verschillende materialen. Tegelijkertijd is de interactietijd tussen de femtosecondelaser en biologische weefsels onbeduidend in vergelijking met de thermische relaxatietijd van biologische weefsels (in de orde van ns). Voor biologische weefsels wordt een temperatuurstijging van enkele graden een drukgolf naar de zenuwen. De cellen veroorzaken pijn en warmteschade aan de cellen, zodat de femtoseconde laser een pijnloze en warmtevrije behandeling kan bereiken. Femtoseconde-laser heeft de voordelen van lage energie, kleine schade, hoge nauwkeurigheid en strikte positionering in een driedimensionale ruimte, die in de grootste mate kan voldoen aan de speciale behoeften van het biomedische veld. De femtosecondelaser wordt gebruikt om tanden te behandelen om schone en opgeruimde kanalen te verkrijgen zonder enige randbeschadiging, waardoor de invloed van mechanische spanning en thermische spanning veroorzaakt door lasers met lange puls (zoals Er:YAG), verkalking, scheuren en ruwe oppervlakken wordt vermeden. Wanneer de femtosecondelaser wordt toegepast op het fijne snijden van biologische weefsels, kan de plasmaluminescentie tijdens de interactie van de femtosecondelaser met biologische weefsels worden geanalyseerd door spectrum, en botweefsel en kraakbeenweefsel kunnen worden geïdentificeerd, om te bepalen en te controleren wat is nodig in het chirurgische behandelingsproces Pulsenergie. Deze techniek is van groot belang voor zenuw- en wervelkolomchirurgie. De femtosecondelaser met een golflengtebereik van 630-1053 nm kan veilig, schoon, zeer nauwkeurig niet-thermisch chirurgisch snijden en ablatie van menselijk hersenweefsel uitvoeren. Een femtoseconde laser met een golflengte van 1060 nm, een pulsbreedte van 800 fs, een pulsherhalingsfrequentie van 2 kHz en een pulsenergie van 40 J kan schone, zeer nauwkeurige snijbewerkingen van het hoornvlies uitvoeren. Femtosecond laser heeft de kenmerken van geen thermische schade, wat van groot belang is voor laser-myocardiale revascularisatie en laserangioplastiek. In 2002 gebruikte het Hannover Laser Center in Duitsland een femtoseconde laser om de baanbrekende productie van vasculaire stentstructuur op een nieuw polymeermateriaal te voltooien. Vergeleken met de vorige roestvrijstalen stent heeft deze vasculaire stent een goede biocompatibiliteit en biologische compatibiliteit. Afbreekbaarheid is van groot belang voor de behandeling van coronaire hartziekten. Bij klinische testen en bioassays kan femtosecondelasertechnologie automatisch de biologische weefsels van organismen op microscopisch niveau snijden en high-definition driedimensionale beelden verkrijgen. Deze technologie is van grote betekenis voor de diagnose en behandeling van kanker en de studie van 368 genetische mutaties bij dieren. Op het gebied van genetische manipulatie. In 2001 gebruikte K.Konig uit Duitsland Ti:Sapphirefemtoseconde laseroperaties op nanoschaal uitvoeren op menselijk DNA (chromosomen) (minimale snijbreedte 100 nm). In 2002 gebruikten U.irlapur en Koing eenfemtoseconde laserom een omkeerbare microporie in het kankercelmembraan te maken, en vervolgens DNA door dit gat de cel binnen te laten gaan. Later sloot de eigen groei van de cel het gat, waardoor met succes genoverdracht werd bereikt. Deze techniek heeft de voordelen van een hoge betrouwbaarheid en een goed transplantatie-effect, en is van groot belang voor het transplanteren van vreemd genetisch materiaal in verschillende cellen, waaronder stamcellen. Op het gebied van celtechniek worden femtosecondelasers gebruikt om nanochirurgische operaties in levende cellen uit te voeren zonder het celmembraan te beschadigen. Deze femtoseconde laseroperatietechnieken hebben een positieve betekenis voor het onderzoek naar gentherapie, celdynamica, celpolariteit, medicijnresistentie en de verschillende componenten van cellen en subcellulaire heterogene structuur. Op het gebied van optische vezelcommunicatie is de responstijd van materialen van opto-elektronische halfgeleiders de "bottleneck" die de supercommerciële snelheid van optische vezelcommunicatie beperkt. De toepassing van femtoseconde coherente besturingstechnologie zorgt ervoor dat de snelheid van optische halfgeleiderschakelaars 10000 Gbit/s bereikt, wat uiteindelijk de theoretische limiet van de kwantummechanica kan bereiken. . Bovendien wordt de Fourier-golfvormtechnologie van femtoseconde laserpulsen toegepast op optische communicatie met grote capaciteit, zoals multiplexing met tijdverdeling, multiplexing met golflengteverdeling en meervoudige toegang tot codeverdeling, en kan een datatransmissiesnelheid van 1 Tbit/s worden verkregen. Op het gebied van ultrafijne verwerking is het sterke zelffocusserende effect vanfemtoseconde laserpulsen in transparante media maken het brandpunt van de laser kleiner dan de diffractielimiet, waardoor micro-explosies in het transparante materiaal stereopixels met submicron-diameters vormen. Met behulp van deze methode kan driedimensionale optische opslag met hoge dichtheid worden uitgevoerd en kan de opslagdichtheid 10 ^ 12 bits/cm3 bereiken. En kan snel gegevens lezen, schrijven en parallelle willekeurige toegang tot gegevens realiseren. De overspraak tussen aangrenzende databitlagen is erg klein en driedimensionale opslagtechnologie is een nieuwe onderzoeksrichting geworden in de ontwikkeling van de huidige massaopslagtechnologie. Optische golfgeleiders, bundelsplitsers, koppelaars, enz. zijn de optische basiscomponenten van geïntegreerde optica. Met behulp van femtosecondelasers op een computergestuurd verwerkingsplatform kunnen tweedimensionale en driedimensionale optische golfgeleiders van elke vorm op elke positie in het materiaal worden gemaakt. , Beam splitter, coupler en andere fotonische apparaten, en kan worden gekoppeld aan standaard optische vezel, met behulp van femtoseconde laser kan ook een 45 ° microspiegel in het lichtgevoelige glas worden gemaakt, en nu is er een optisch circuit geproduceerd dat bestaat uit 3 interne microspiegels , Kan de straal 270° laten draaien in het gebied van 4 mm x 5 mm. Meer wetenschappelijk hebben wetenschappers in de Verenigde Staten onlangs femtosecondelasers gebruikt om een optische golfgeleider met een versterking van 1 cm te creëren, die een signaalversterking van 3 dB/cm nabij 1062 nm kan genereren. Fiber Bragg-roosters hebben effectieve frequentieselectie-eigenschappen, zijn gemakkelijk te koppelen met een glasvezelcommunicatiesysteem en hebben weinig verlies. Daarom vertoont het rijke transmissiekenmerken in het frequentiedomein en is het een onderzoekshotspot van glasvezelapparaten geworden. In 2000, Kawamora K et al. gebruikte twee infrarood femtoseconde laserinterferometrie om voor het eerst holografische roosters met oppervlaktereliëf te verkrijgen. Later, met de ontwikkeling van productietechnologie en technologie, in 2003 Mihaiby. S et al. gebruikte Ti:Sapphire femtoseconde laserpulsen in combinatie met nulde-orde faseplaten om reflecterende Bragg-roosters op de kern van communicatievezels te verkrijgen. Het heeft een hoog modulatiebereik van de brekingsindex en een goede temperatuurstabiliteit. Het fotonische kristal is een diëlektrische structuur met periodieke modulatie van de brekingsindex in de ruimte, en de veranderingsperiode is van dezelfde orde van grootte als de golflengte van licht. Het fotonische kristalapparaat is een gloednieuw apparaat dat de voortplanting van fotonen regelt en is uitgegroeid tot een onderzoekshotspot op het gebied van fotonica. In 2001 hebben Sun HB et al. gebruikte femtosecondelasers om fotonische kristallen te fabriceren met willekeurige roosters in met germanium gedoteerd silicaglas, dat individueel individuele atomen kan selecteren. In 2003, Serbin J et al. gebruikte femtoseconde laser om twee-fotonpolymerisatie van anorganisch-organische hybride materialen te induceren om driedimensionale microstructuren en fotonische kristallen te verkrijgen met een structuurgrootte van minder dan 200 nm en een periode van 450 nm. Femtosecondelasers hebben baanbrekende resultaten bereikt op het gebied van microfotonische apparaatverwerking, zodat directionele connectoren, banddoorlaatfilters, multiplexers, optische schakelaars, golflengteomvormers en modulatoren op een "chip" kunnen worden verwerkt. Vlakke lichtgolflussen met andere componenten zijn mogelijk. Een basis gelegd voor fotonische apparaten om elektronische apparaten te vervangen. Fotomasker- en lithografietechnologie is een sleuteltechnologie op het gebied van micro-elektronica, die rechtstreeks verband houdt met de kwaliteit en productie-efficiëntie van producten met geïntegreerde schakelingen. Femtosecondelasers kunnen worden gebruikt om de defecten van het fotomasker te repareren, en de gerepareerde lijnbreedte kan een nauwkeurigheid van minder dan 100 nm bereiken. Defemtoseconde laserDirect-schrijftechnologie kan worden gebruikt om snel en effectief fotomaskers van hoge kwaliteit te vervaardigen. Deze resultaten zijn van groot belang voor micro. De ontwikkeling van elektronische technologie is van groot belang.
We use cookies to offer you a better browsing experience, analyze site traffic and personalize content. By using this site, you agree to our use of cookies.
Privacy Policy
