Femtosekunden-Laser

Ein Femtosekundenlaser ist eine bestimmte Art von Laser, der ultrakurze Impulse, deren Dauer in der Größenordnung von wenigen Femtosekunden bis einigen hundert Femtosekunden erzeugt. Dieser Lasertyp ist intensiv untersucht und in der Forschung, der Industrie und auf dem Gebiet von biomedizinischen Anwendungen.

Beschreibung eines Femtosekunden-Puls

Ein Femtosekundenpuls oder Ultrakurz eine sinusförmige Schwingung des sich ausbreitenden elektromagnetischen Feldes, die Amplitude von einer Hüllkurve moduliert wird, ist die charakteristische Länge klein im Vergleich zu 1 Pikosekunde.

In Bezug auf die spektrale Dichte ist das Spektrum eines solchen Impulses von vielen Gleichspannungskomponenten, die zusammenhängend um Kurzimpuls erreichen zu können besteht. Über das Spektrum Unterstützung breiter ist, können die erzeugten Impulse möglicherweise kurz sein. Dies jedoch Voraussetzung, bezogen auf die Fourier-Transformationseigenschaften nicht ausreichend, und das Verhältnis der relativen Phasen zwischen den einzelnen Komponenten des Spektrums eine Schlüsselrolle spielt. Wenn die Phasen aller Spektralkomponenten gleich sind, hat der Impuls eine minimale Dauer, die durch das Spektrum erlaubt und soll durch die Fourier-Transformation beschränkt.

Wenn die Hüllkurve der Impuls eine Breite in der Größenordnung des Kehrwerts der Trägerfrequenz ist, wird er als Impuls geringen Anzahl von Zyklen. Die Breite des Impulses bleibt notwendigerweise größer als oder in der Größenordnung des optischen Periode, die eine Folge der Maxwell-Gleichungen, die elektromagnetische Strahlung regieren. Das Erreichen Unterfemtosekundenpulsen oder Attosekunden-Pulsen ist somit möglich, UV-Wellenlängen.

Femtosekunden-Pulsausbreitung

Eine Femtosekunde Impuls wird von vielen spektralen Komponenten in Reihe zusammengesetzt umso groß, dass der Puls ist kurz.

Im Vakuum ausbreiten all die Spektralkomponenten auf der Lichtgeschwindigkeit c und der Puls der Dauer während der Ausbreitung beibehält.

In einem dispersiven Medium hängt der Brechungsindex auf der optischen Frequenz der Spektralkomponente vorgesehen. Deshalb ist die Zeit für die Ausbreitung einer Frequenzkomponente in einem anderen aus einer spektralen Komponente zu einer anderen Entfernung erforderlich. Die kohärente Summe der spektralen Komponenten so hergestellte, nach der Ausbreitung, anders als vor der Ausbreitung ist eine zeitliche Puls deren Dauer. Mit einigen Ausnahmen, der allgemeine Trend für normale Dispersionsmedien ist an der Zeit die Verbreitung des Impulses. Vorsicht ist geboten, um einen Ultrakurzpuls während der Vermehrung aufrechtzuerhalten. Diese Vorsichtsmaßnahmen sind besonders wichtig, dass die Dynamik verbreitet ist kurz.

Mathematisch eine spektrale Komponente, die in einem Medium-Index auf einer Länge ausbreitet, erwirbt eine Ausgangsphase, die es in die transformiert charakterisiert die Materialien der Dispersionseigenschaften. Ist es üblich, nur eine begrenzte Entwicklung um eine zentrale Impuls durchführen:

So ist die Umkehrung der Gruppengeschwindigkeit, die die übliche Einheit ist. Die Menge, die ihrerseits das Material heißt die Gruppengeschwindigkeitsdispersion und in der Regel ausdrückt. Für eine Ausbreitung über eine Länge, in der Abwesenheit von höherer Ordnung, wird die Impuls dann zeitlich verlängert und nimmt Zeitdispersion gleich Gruppe.

Für einen Gauß-Impuls durch eine Fourier-Transformation beschränkt, und die Anfangszeit ist der Ausgangsimpuls dann auch Gauß- und eine Dauer hat, wobei:

 mit.

Eine ungefähre Regel ist, so dass für einen Impuls der Ausgangslänge, die Übernahme der Zeitdispersion Goupe nach der Ausbreitung in einem dispergierenden Medium beginnt signifikant GDD zu sein.

Über die einfache Vermehrung durch ein dispersives Medium gibt es mehrere Techniken, um kontrollierte und einstellbare Dispersionen zu erzielen. Alle diese Techniken verwenden Sie eine der folgenden Arten von Dispersionen:

  • Dispersion der Materialien. Der Ursprung dieser Dispersion mit dem Vorhandensein von atomaren oder Schwingungsresonanzen. Die Kramers-Kronig-Beziehungen binden Tat Dispersionseigenschaften zu Absorptionsphänomene in Materialien;
  • geometrische Dispersion. Der Ursprung der Winkeldispersion, die in einigen optischen Komponenten, wie Prismen und Netzen erscheint. So kann Prism Kompressoren und Netze verwendet werden, um negative Dispersion, um das positive Dispersionskompensation zu schaffen "natürliche" Stoffe in einigen Laser-Oszillator oder Verstärker-Systeme;
  • Interferometrische Dispersion. Dies basiert auf der Existenz von Resonanz in Hohlräumen oder Multipass-Interferometer. Wie für die Absorption im Material, eine spektrale Resonanz ergibt eine Phasenverschiebung abhängig von der Wellenlänge und damit die Dispersionsverfahren. Ein Beispiel für ein solches System ist das Interferometer von Gires-Tournois, die zu 100% mit hoher Reflektivität periodischen Dispersionen ermöglicht;
  • Dispersion in photonischen Strukturen. Grundsätzlich bezogenen interferometrischen Dispersion, aber wo die Struktur erzeugt Störungen Mikrometergröße. Ein bekanntes Beispiel ist der Chirp-Spiegel, wobei die photonische Struktur ist speziell auf eine bestimmte Dispersion in einem Spektralband erzeugen.

Produktionsfemtosekundenpuls

Produktion durch Femtosekundenpulslaserhohlraum durch die Technik der Modenkopplung erfolgt. Der Sperrmodus kann aktiv oder passiv sein. In der Praxis wird die große Mehrheit der Femtosekunden-Laser die Methode der passiven Modenkopplung, die kürzere Impulse erhalten können. Schematisch ist dies, um die Operationen in dem Laser mit hoher Spitzenleistung zu erleichtern. Dies wird unter Verwendung eines nicht-linearen Prozeß, bei dem der Laserhohlraum unterschiedlich modifiziert intrakavitären Laserstrahls je nachdem, ob der Strom hoher oder niedriger gemacht. Wenn der Laser arbeitet vorzugsweise unter Bedingungen, bei denen das nichtlineare Element mit hoher Leistung einfallKamm betrieben wird, werden die verschiedenen Lasermoden in der Phase verriegelt und gibt einen gepulsten Betrieb.

Für solche Betriebsbedingungen erreicht wird, ist es wichtig, dass ein Femtosekundenpuls einmal erstellt könnte identisch nach einer kompletten Rundgang durch das Laserhohlraum zu verbreiten. Zu diesem Zweck muss der laserist die Streuung zwischen den einzelnen Komponenten des Laser-Hohlraums auszugleichen, so dass die Gesamtdispersion über eine vollständige Umdrehung der Hohlraum nahezu Null.

Im optischen Bereich haben die gemeinsamen transparenten Materialien fast alle positive oder eine sogenannte normale Dispersion. Es ist daher angebracht, um Elemente, die eine negative Dispersion, um diese Effekte Offset hinzuzufügen. Früher haben wir Paare von Prismen oder Netzwerke, die Paare von de facto negativer Dispersion führen, indem geometrische Verzögerungen bestimmte Wellenlängen im Vergleich zu anderen. Eine weitere Vorrichtung zur Gewinnung von sehr starken negativen Dispersionen ist das Interferometer Gires-Turniere. Die Chirp-Spiegel, mit kunstvoll berechnet dielektrische Multischichten ermöglichen heute zu negativen Dispersionen äußerst kompakt zu erhalten. Lichtleitfasern auf Kieselsäurebasis eine Dispersion von Null in der Nähe von 1,5 Mikrometern, das auf den Bereich der Verstärkung mit Erbium dotierte Silica-Medium entspricht. Die gepulste Laser Erbium-dotierte Faser, um von dieser Eigenschaft profitieren. Im Allgemeinen ist eine geführte Licht ist es möglich, die Eigenschaften der verschiedenen Techniken, Dispersionen, insbesondere photonischen Kristall-Materialien ändern. Mehrere Technologien Femtosekundenlaser nutzen diese Chancen.

Das nichtlineare Element zum Verriegeln Modi führt das Äquivalent eines sättigbaren Absorbers, die eine geringe Verlustleistung Peaks, vorhanden, aber deutlich weniger hohe optische Leistung aufweist. Dieses sättigbare Absorber können real sein und absorbieren Strahlung mehr oder weniger abhängig von der optischen Leistung oder Stärke, unter Verwendung beispielsweise der Kerr-Effekt Polarisationslinseneffekt oder Kerr-Effekt. Das zweite Verfahren ermöglicht es im allgemeinen zu kürzeren Impulse zu erhalten, während die erste ist im Prinzip als einfacher zu implementieren betrachtet.

Starten des blockierten Modus Regime ist, am häufigsten, einfach auf den stochastischen Rauschen des Lasers. Die Laser unter Verwendung der aktiven Modenkopplung oder eine echte sättigbaren Absorber sind in der Regel Autostart. Laser mit einem im Allgemeinen wirksam sättigbaren Absorber nicht und erfordern ein Startsystem, das eine Störung induziert Rauschspitze zu starten erstellt. Verschiedene Techniken werden verwendet, um zu erleichtern Starten des gepulsten Modus für diese Art von Laser verwendet werden. Amplitudenmodulation der Pumplaserwiederholungsrate von beispielsweise erfolgreich demonstriert. Zugabe einer ganz langsam sättigbare Absorber neben dem eigentlichen sättigbarem Absorptions wird auch häufig verwendet.

Femtosekundenlaser Geschichte

Anwendungen

Femtosekundenlaser haben daher eine einzigartige Kombination von sehr kurzen Impulsen, Breitspektrum und eine hohe Spitzenleistung. Verschiedene Anwendungen verwenden alle oder Teile dieser einzigartigen Eigenschaften für die Forschung, Industrie oder bio-medizinischen Bereich.

Man kann beispielsweise unter Verwendung der Tatsache, daß die Impulsdauern sehr kurz für Experimente Zeit mit Präzision anderweitig nicht erhalten mit aktuellen Techniken gelöst. Die volle Breite des Spektrums in der Phase verwendet werden, wie auch ihre Konsistenz über ihre gesamte Ausdehnung auf optische Frequenzkämme für optische Frequenzmesstechnik oder der Atom- und Molekülspektroskopie erzeugen. Man kann auch die hohen Pulsenergien und Spitzenleistung für die Mikrobearbeitung Materialien zu verwenden.

Die folgende Liste zeigt verschiedene Anwendungen von Femtosekundenlasern üblich.

  • Kernfusion.
  • Nichtlineare Optik, wie beispielsweise die zweite Harmonische erzeugenden, optisch parametrischen Oszillators, die Erzeugung von Terahertz-Strahlung oder UV-Generation von Hochgeschwindigkeits-Harmonic.
  • Optische Datenspeicher.
  • Mikro - sehr kurze Impulse zur Mikrobearbeitung von vielen Arten von Materialien verwendet werden.
  • Zwei-Photonen-Mikroskopie - die Zweiphotonenanregung ist ein bildgebendes Verfahren unter Verwendung von Fluoreszenzmikroskopie, die ein Bild des lebenden Gewebes bis zu einer Tiefe von einem Millimeter ermöglicht.
  • Refraktive Chirurgie.
  • Optischen Frequenzkamms - Wer kann optischen Frequenzen mit relativ einfachen Methoden zu messen.
  • Hohlraumresonanzspektroskopie. Ermöglicht die chemische Analyse der atmosphärischen Schadstoff wie.
  • Erzeugung von Attosekunden-Pulsen.
  • Lass es regnen - In einem kürzlich erschienenen Artikel in Nature Photonics, Forscher an der Universität von Genf und der Freien Universität Berlin und Lyon 1, gezeigt, dass es möglich sein sollte, regen künstlich induzieren. Die Ergebnisse sind nicht einig unter Wissenschaftlern und es scheint schwierig zu beweisen, dass der Effekt ist real, vor allem, weil der Anstieg der Niederschlagsmenge scheint endlich klein.
  • Erzeugung elektromagnetischer Pulse auf dem Gebiet der Terahertz durch photoleitenden Effekt: Ein Teil der THz-Bereich stammt aus dem Treffen der Mikrowellenelektronik und ultrakurzen Femtosekundenpulsen.
  • Fotografie Femtosekunden, mit einem Femtosekundenlaser, wie ein Stroboskop, um Bilder mit einer extrem kurzen Belichtungszeit zu nehmen.
  • Zusammenbruch des Vakuums.
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