ليزر فائق السرعة فريد من نوعه - الجزء الأول

فريدليزر فائق السرعةالجزء الأول

خصائص فريدة للسرعة الفائقةالليزر
تُضفي مدة النبضة القصيرة للغاية لأشعة الليزر فائقة السرعة خصائص فريدة تميزها عن أشعة الليزر ذات النبضات الطويلة أو الموجات المستمرة. ولتوليد مثل هذه النبضة القصيرة، يلزم نطاق ترددي واسع. ويُحدد شكل النبضة وطولها الموجي المركزي الحد الأدنى من النطاق الترددي المطلوب لتوليد نبضات ذات مدة زمنية محددة. وعادةً ما تُوصف هذه العلاقة بدلالة حاصل ضرب الزمن في النطاق الترددي (TBP)، المُستمد من مبدأ عدم اليقين. ويُعطى حاصل ضرب الزمن في النطاق الترددي للنبضة الغاوسية بالصيغة التالية: TBP = ΔτΔν ≈ 0.441
يمثل Δτ مدة النبضة، بينما يمثل Δv عرض نطاق التردد. وباختصار، تُظهر المعادلة وجود علاقة عكسية بين عرض نطاق الطيف ومدة النبضة، أي أنه كلما قلت مدة النبضة، زاد عرض النطاق المطلوب لتوليدها. يوضح الشكل 1 الحد الأدنى لعرض النطاق المطلوب لدعم عدة مدد نبضات مختلفة.

الشكل 1: الحد الأدنى لعرض النطاق الطيفي المطلوب لدعمنبضات الليزرمن 10 بيكو ثانية (أخضر)، 500 فيمتو ثانية (أزرق)، و50 فيمتو ثانية (أحمر)

التحديات التقنية لأشعة الليزر فائقة السرعة
يجب إدارة النطاق الطيفي الواسع، وقوة الذروة، ومدة النبضة القصيرة لأشعة الليزر فائقة السرعة بشكل صحيح في نظامك. غالبًا ما يكون أحد أبسط الحلول لهذه التحديات هو خرج الطيف الواسع لأشعة الليزر. إذا كنت تستخدم في السابق بشكل أساسي أشعة ليزر ذات نبضات أطول أو موجات مستمرة، فقد لا تتمكن مكوناتك البصرية الحالية من عكس أو نقل النطاق الترددي الكامل للنبضات فائقة السرعة.

عتبة تلف الليزر
تتميز البصريات فائقة السرعة أيضاً بعتبات تلف ليزري (LDT) مختلفة بشكل كبير وأكثر صعوبة في التعامل معها مقارنةً بمصادر الليزر التقليدية. عند توفير البصريات لـليزرات نبضية نانوثانيةتتراوح قيم عتبة تلف الليزر (LDT) عادةً بين 5 و10 جول/سم². أما في البصريات فائقة السرعة، فمن النادر جدًا سماع قيم بهذا الحجم، إذ من المرجح أن تكون قيم LDT أقل من 1 جول/سم²، وعادةً ما تقترب من 0.3 جول/سم². ويعود التباين الكبير في سعة LDT باختلاف مدة النبضات إلى آلية تلف الليزر المرتبطة بمدة النبضات. بالنسبة لأشعة الليزر النانوثانية أو الأطول،الليزر النبضيإن الآلية الرئيسية التي تسبب الضرر هي التسخين الحراري. مواد الطلاء والركيزة لـالأجهزة البصريةتمتص هذه المواد الفوتونات الساقطة وتسخنها، مما قد يؤدي إلى تشوه الشبكة البلورية للمادة. ويُعد التمدد الحراري والتشقق والانصهار وإجهاد الشبكة من آليات التلف الحراري الشائعة لهذه المواد.مصادر الليزر.

مع ذلك، في حالة الليزر فائق السرعة، يكون زمن النبضة أسرع من زمن انتقال الحرارة من الليزر إلى الشبكة البلورية للمادة، لذا فإن التأثير الحراري ليس السبب الرئيسي للتلف الناتج عن الليزر. بدلاً من ذلك، تحوّل القدرة القصوى لليزر فائق السرعة آلية التلف إلى عمليات غير خطية مثل امتصاص الفوتونات المتعددة والتأين. لهذا السبب، لا يمكن ببساطة تحديد تصنيف عتبة التلف الليزري (LDT) لنبضة نانوثانية بنظيرتها في النبضة فائقة السرعة، لأن الآلية الفيزيائية للتلف مختلفة. لذلك، في ظل ظروف الاستخدام نفسها (مثل الطول الموجي، وزمن النبضة، ومعدل التكرار)، سيكون الجهاز البصري ذو تصنيف LDT العالي هو الأنسب لتطبيقك المحدد. لا تُعدّ الأجهزة البصرية التي تم اختبارها في ظروف مختلفة مؤشراً على الأداء الفعلي لنفس الجهاز البصري في النظام.

الشكل 1: آليات التلف الناتج عن الليزر مع فترات نبض مختلفة