ليزر فائق السرعة فريد من نوعه - الجزء الأول

فريدليزر فائق السرعةالجزء الأول

خصائص فريدة للسرعة الفائقةالليزر
يمنح قصر مدة النبضة الفائقة لليزرات فائقة السرعة هذه الأنظمة خصائص فريدة تُميزها عن ليزرات النبضات الطويلة أو الموجات المستمرة (CW). لتوليد مثل هذه النبضة القصيرة، يلزم نطاق ترددي واسع. يُحدد شكل النبضة وطول الموجة المركزية الحد الأدنى لعرض النطاق الترددي اللازم لتوليد نبضات ذات مدة محددة. عادةً، تُوصف هذه العلاقة من حيث حاصل ضرب الزمن في عرض النطاق الترددي (TBP)، المُشتق من مبدأ عدم اليقين. يُعطى حاصل ضرب الزمن في عرض النطاق الترددي للنبضة الغوسية بالصيغة التالية: TBPGaussian=ΔτΔν≈0.441
Δτ هي مدة النبضة، وΔv هي عرض النطاق الترددي. باختصار، تُظهر المعادلة وجود علاقة عكسية بين عرض النطاق الترددي للطيف ومدة النبضة، أي أنه مع تناقص مدة النبضة، يزداد عرض النطاق الترددي اللازم لتوليدها. يوضح الشكل 1 الحد الأدنى لعرض النطاق الترددي اللازم لدعم عدة مدد نبضات مختلفة.

الشكل 1: الحد الأدنى للنطاق الطيفي المطلوب لدعمنبضات الليزرمن 10 ps (أخضر)، و500 fs (أزرق)، و50 fs (أحمر)

التحديات التقنية لليزر فائق السرعة
يجب إدارة عرض النطاق الطيفي الواسع، وطاقة الذروة، ومدة النبضة القصيرة لليزر فائق السرعة بشكل صحيح في نظامك. غالبًا ما يكون أحد أبسط الحلول لهذه التحديات هو إنتاج طيف واسع من الليزر. إذا كنت تستخدم ليزرات نبضية طويلة أو ليزرات ذات موجة مستمرة في السابق، فقد لا تتمكن مكوناتك البصرية الحالية من عكس أو نقل كامل عرض النطاق الترددي للنبضات فائقة السرعة.

عتبة الضرر بالليزر
تتميز البصريات فائقة السرعة أيضًا بعتبات ضرر ليزر (LDT) مختلفة بشكل كبير وأكثر صعوبة في التنقل مقارنةً بمصادر الليزر التقليدية. عند توفير البصريات لـليزر نبضي نانوثانيةتتراوح قيم LDT عادةً بين 5 و10 جول/سم². في البصريات فائقة السرعة، تُعد قيم هذا الحجم نادرةً نسبيًا، إذ غالبًا ما تكون قيم LDT أقل من 1 جول/سم²، وعادةً ما تكون أقرب إلى 0.3 جول/سم². وينتج التباين الكبير في سعة LDT عند اختلاف مدد النبضات عن آلية تلف الليزر القائمة على مدد النبضات. بالنسبة لليزر النانوثانية أو الأطولالليزر النبضي، الآلية الرئيسية التي تسبب الضرر هي التسخين الحراري. مواد الطلاء والركيزةالأجهزة البصريةتمتص الفوتونات الساقطة وتسخنها. قد يؤدي هذا إلى تشوه الشبكة البلورية للمادة. التمدد الحراري، والتشقق، والانصهار، وإجهاد الشبكة هي آليات الضرر الحراري الشائعة لهذه المواد.مصادر الليزر.

ومع ذلك، بالنسبة لليزر فائق السرعة، تكون مدة النبضة نفسها أسرع من النطاق الزمني لانتقال الحرارة من الليزر إلى شبكة المواد، وبالتالي فإن التأثير الحراري ليس السبب الرئيسي للضرر الناجم عن الليزر. وبدلاً من ذلك، فإن ذروة قوة الليزر فائق السرعة تحول آلية الضرر إلى عمليات غير خطية مثل امتصاص الفوتونات المتعددة والتأين. وهذا هو السبب في أنه من غير الممكن ببساطة تضييق تصنيف LDT لنبضة نانوثانية إلى تصنيف نبضة فائقة السرعة، لأن الآلية الفيزيائية للضرر مختلفة. لذلك، في ظل نفس ظروف الاستخدام (مثل الطول الموجي ومدة النبضة ومعدل التكرار)، سيكون الجهاز البصري ذو تصنيف LDT مرتفع بما فيه الكفاية هو أفضل جهاز بصري لتطبيقك المحدد. البصريات التي تم اختبارها في ظل ظروف مختلفة لا تمثل الأداء الفعلي لنفس البصريات في النظام.

الشكل 1: آليات الضرر الناجم عن الليزر مع فترات نبض مختلفة