Odborné znalosti

Vývoj a aplikace technologie femtosekundového laseru

2021-12-15
Od doby, kdy Maman poprvé získal výstup laserového pulsu v roce 1960, lze proces lidské komprese šířky laserového pulsu zhruba rozdělit do tří fází: fáze technologie Q-přepínání, fáze technologie zamykání režimu a fáze technologie zesílení cvrlikání pulzů. Chirped pulse amplification (CPA) je nová technologie vyvinutá k překonání samozaostřovacího efektu generovaného pevnolátkovými laserovými materiály během zesilování femtosekundovým laserem. Nejprve poskytuje ultrakrátké pulzy generované lasery s uzamčeným režimem. "Pozitivní cvrlikání", pro zesílení rozšiřte šířku pulsu na pikosekundy nebo dokonce nanosekundy a poté použijte metodu kompenzace chvílení (negativní cvrlikání) ke komprimaci šířky pulsu po získání dostatečného zesílení energie. Velký význam má vývoj femtosekundových laserů.
Před rokem 1990,femtosekundový laserpulsy byly získány pomocí technologie zamykání režimu barvivového laseru s širokou šířkou pásma zisku. Údržba a správa barvivového laseru je však extrémně komplikovaná, což omezuje jeho použití. Se zlepšením kvality krystalů Ti:Safír lze použít i kratší krystaly pro získání dostatečně vysokých zisků pro dosažení krátkých pulzních oscilací. V roce 1991 Spence a kol. poprvé vyvinuli femtosekundový laser Ti:Sapphire s automatickým uzamčením. Úspěšný vývoj 60fs pulsu Ti:Sapphire femtosekundového laseru výrazně podpořil aplikaci a vývoj femtosekundových laserů. V roce 1994 se začalo používat technologii zesílení cvrlikání pulsů k získání laserových pulsů nižších než 10 fs, v současné době s pomocí technologie samočinného zamykání čoček Kerr, technologie optického parametrického zesílení pulsů, technologie vyprazdňování dutin, technologie víceprůchodového zesílení atd. může vytvořit laser Šířka pulsu je komprimována na méně než 1 fs, aby vstoupila do attosekundové domény, a špičkový výkon laserového pulsu je také zvýšen z terawattu (1TW=10^12W) na petawatt (1PW=10^15W). Tyto velké průlomy v laserové technologii spustily rozsáhlé a hloubkové změny v mnoha oblastech.
V oblasti fyziky může ultravysoké elektromagnetické pole generované femtosekundovým laserem generovat relativistické neutrony a může také přímo manipulovat s atomy a molekulami. Na stolním laserovém zařízení pro jadernou fúzi se femtosekundový laserový puls používá k ozařování molekulárních klastrů deuterium-tritium. Může zahájit jadernou fúzní reakci a produkovat velké množství neutronů. Když femtosekundový laser interaguje s vodou, může způsobit, že izotop vodíku deuterium podstoupí reakci jaderné fúze, která generuje obrovské množství energie. Použitím femtosekundových laserů k řízení jaderné fúze lze získat řízenou energii jaderné fúze. Ve Universe Physics Laboratory může plazma s vysokou hustotou energie generované ultravysokými světelnými pulzy femtosekundových laserů reprodukovat vnitřní jevy Mléčné dráhy a hvězd na zemi. Metodou femtosekundového časového rozlišení lze jasně pozorovat změny molekul umístěných v nanoprostoru a jejich vnitřní elektronické stavy na časové škále femtosekund.
V oblasti biomedicíny jsou díky vysokému špičkovému výkonu a hustotě výkonu femtosekundových laserů při interakci s různými materiály často způsobeny různé nelineární efekty, jako je multifotonová ionizace a samozaostřovací efekty. Současně je doba interakce mezi femtosekundovým laserem a biologickými tkáněmi nevýznamná ve srovnání s dobou tepelné relaxace biologických tkání (řádově ns). U biologických tkání se zvýšení teploty o několik stupňů stane tlakovou vlnou do nervů. Buňky produkují bolest a tepelné poškození buněk, takže femtosekundový laser může dosáhnout bezbolestného a tepelného ošetření. Femtosekundový laser má výhody nízké energie, malého poškození, vysoké přesnosti a přísného polohování v trojrozměrném prostoru, což může v největší míře vyhovět speciálním potřebám biomedicínského oboru. Femtosekundový laser se používá k ošetření zubů k získání čistých a uklizených kanálků bez poškození hran, zamezení vlivu mechanického namáhání a tepelného namáhání způsobeného lasery s dlouhými pulzy (jako je Er:YAG), kalcifikací, prasklin a drsných povrchů. Když je femtosekundový laser aplikován na jemné řezání biologických tkání, plazmatická luminiscence během interakce femtosekundového laseru s biologickými tkáněmi může být analyzována spektrem a může být identifikována kostní tkáň a chrupavková tkáň, aby bylo možné určit a kontrolovat, co je potřebná v chirurgickém léčebném procesu Pulzní energie. Tato technika má velký význam pro chirurgii nervů a páteře. Femtosekundový laser s rozsahem vlnových délek 630-1053nm může provádět bezpečné, čisté, vysoce přesné netepelné chirurgické řezání a ablaci lidské mozkové tkáně. Femtosekundový laser s vlnovou délkou 1060nm, šířkou pulzu 800fs, frekvencí opakování pulzu 2kHz a energií pulzu 40μJ může provádět čisté a vysoce přesné operace řezání rohovky. Femtosekundový laser má vlastnosti bez tepelného poškození, což má velký význam pro laserovou revaskularizaci myokardu a laserovou angioplastiku. V roce 2002 použilo laserové centrum Hannover v Německu femtosekundový laser k dokončení průlomové výroby struktury vaskulárního stentu na novém polymerním materiálu. Ve srovnání s předchozím stentem z nerezové oceli má tento vaskulární stent dobrou biokompatibilitu a biologickou kompatibilitu. Rozložitelnost má velký význam pro léčbu ischemické choroby srdeční. Při klinickém testování a biologických testech může technologie femtosekundového laseru automaticky řezat biologické tkáně organismů na mikroskopické úrovni a získávat trojrozměrné obrazy s vysokým rozlišením. Tato technologie má velký význam pro diagnostiku a léčbu rakoviny a studium živočišných 368 genetických mutací.
V oblasti genetického inženýrství. V roce 2001 použil K.Konig z Německa Ti:Sapphirefemtosekundový laserprovádět operace v nanoměřítku na lidské DNA (chromozomech) (minimální šířka řezu 100nm). V roce 2002 U.irlapur a Koing použili afemtosekundový laservytvořit reverzibilní mikropór v membráně rakovinné buňky a poté umožnit DNA vstoupit do buňky tímto otvorem. Později vlastní růst buňky díru uzavřel, čímž bylo úspěšně dosaženo přenosu genu. Tato technika má výhody vysoké spolehlivosti a dobrého transplantačního účinku a má velký význam pro transplantaci cizího genetického materiálu do různých buněk včetně kmenových buněk. V oblasti buněčného inženýrství se femtosekundové lasery používají k dosažení nanochirurgických operací v živých buňkách bez poškození buněčné membrány. Tyto operační techniky femtosekundovým laserem mají pozitivní význam pro výzkum genové terapie, buněčné dynamiky, buněčné polarity, lékové rezistence a různých složek buněk a subcelulární heterogenní struktury.
V oblasti komunikace s optickými vlákny je doba odezvy materiálů polovodičových optoelektronických zařízení „úzkým místem“, které omezuje superkomerční rychlost komunikace optických vláken. Aplikace technologie femtosekundového koherentního řízení umožňuje dosáhnout rychlosti polovodičových optických přepínačů 10 000 Gbit/s, což může konečně dosáhnout teoretické hranice kvantové mechaniky. . Kromě toho je technologie Fourierova tvarování křivek femtosekundových laserových pulsů aplikována na velkokapacitní optické komunikace, jako je multiplexování s časovým dělením, multiplexování s dělením vlnové délky a vícenásobný přístup s kódovým dělením, a lze dosáhnout rychlosti přenosu dat 1 Tbit/s.
V oblasti ultrajemného zpracování se projevuje silný samozaostřovací efektfemtosekundový laserpulsy v průhledném médiu činí ohniskovou skvrnu laseru menší než je difrakční limit, což způsobuje mikroexploze uvnitř průhledného materiálu za vzniku stereo pixelů o submikronových průměrech. Pomocí této metody lze provádět trojrozměrné optické úložiště s vysokou hustotou a hustota úložiště může dosáhnout 10^12 bitů/cm3. A může realizovat rychlé čtení dat, zápis a paralelní datový náhodný přístup. Přeslechy mezi sousedními datovými bitovými vrstvami jsou velmi malé a technologie trojrozměrného ukládání se stala novým směrem výzkumu ve vývoji současné technologie hromadného ukládání dat. Optické vlnovody, děliče paprsků, vazební členy atd. jsou základní optické součásti integrované optiky. Pomocí femtosekundových laserů na počítačově řízené platformě pro zpracování lze vytvořit dvourozměrné a trojrozměrné optické vlnovody libovolného tvaru v jakékoli poloze uvnitř materiálu. , Dělič paprsků, vazební člen a další fotonická zařízení a lze je propojit se standardním optickým vláknem, pomocí femtosekundového laseru lze také vytvořit 45° mikrozrcadlo uvnitř fotocitlivého skla a nyní byl vyroben optický obvod složený ze 3 vnitřních mikrozrcadel , Dokáže paprsek otočit o 270° v oblasti 4mmx5mm. Vědečtěji vědci ve Spojených státech nedávno použili femtosekundové lasery k vytvoření 1 cm dlouhého optického vlnovodu se ziskem, který může generovat zisk signálu 3 dB/cm v blízkosti 1062 nm.
Fiber Braggova mřížka má efektivní frekvenční výběrové charakteristiky, lze ji snadno spojit s vláknovým komunikačním systémem a má nízkou ztrátu. Proto vykazuje bohaté přenosové charakteristiky ve frekvenční oblasti a stal se aktivním bodem výzkumu zařízení s optickými vlákny. V roce 2000 Kawamora K a kol. poprvé použila dvě infračervené femtosekundové laserové interferometrie k získání povrchových reliéfních holografických mřížek. Později, s rozvojem výrobní technologie a technologie, v roce 2003 Mihaiby. S a kol. použil Ti:Safírové femtosekundové laserové pulsy kombinované s fázovými deskami nultého řádu k získání reflexních Braggových mřížek na jádru komunikačních vláken. Má vysoký modulační rozsah indexu lomu a dobrou teplotní stabilitu.
Fotonický krystal je dielektrická struktura s periodickou modulací indexu lomu v prostoru a jeho perioda změny je řádově stejná jako vlnová délka světla. Zařízení fotonického krystalu je zbrusu nové zařízení, které řídí šíření fotonů, a stalo se výzkumným hotspotem v oblasti fotoniky. V roce 2001 Sun H B a kol. použili femtosekundové lasery k výrobě fotonických krystalů s libovolnými mřížkami v křemičitém skle dopovaném germaniem, které mohou individuálně vybírat jednotlivé atomy. V roce 2003 Serbin J et al. použil femtosekundový laser k vyvolání dvoufotonové polymerace anorganicko-organických hybridních materiálů k získání trojrozměrných mikrostruktur a fotonických krystalů s velikostí struktury menší než 200nm a periodou 450nm.
Femtosekundové lasery dosáhly průlomových výsledků v oblasti zpracování mikrofotonických zařízení, takže je možné zpracovávat směrové konektory, pásmové filtry, multiplexery, optické přepínače, převodníky vlnových délek a modulátory na "čipu" Planární světelné smyčky s dalšími komponenty. Položil základ pro fotonická zařízení, která nahradila elektronická zařízení.
Technologie fotomasky a litografie je klíčovou technologií v oblasti mikroelektroniky, která přímo souvisí s kvalitou a efektivitou výroby produktů s integrovanými obvody. K opravě defektů fotomasky lze použít femtosekundové lasery a opravená šířka čáry může dosáhnout přesnosti menší než 100 nm. Thefemtosekundový lasertechnologii přímého psaní lze použít k rychlé a efektivní výrobě vysoce kvalitních fotomasek. Tyto výsledky jsou velmi důležité pro mikro Vývoj elektronických technologií má velký význam.