الليزر فائق السرعة الفريد الجزء الثاني

فريدليزر فائق السرعةالجزء الثاني

التشتت وانتشار النبض: تشتت تأخير المجموعة
أحد أصعب التحديات التقنية التي تتم مواجهتها عند استخدام الليزر فائق السرعة هو الحفاظ على مدة النبضات القصيرة جدًا المنبعثة في البداية من قبلالليزر. النبضات فائقة السرعة معرضة جدًا لتشويه الوقت، مما يجعل النبضات أطول. ويزداد هذا التأثير سوءًا مع تقصير مدة النبضة الأولية. في حين أن الليزر فائق السرعة يمكن أن يصدر نبضات لمدة 50 ثانية، فإنه يمكن تضخيمها في الوقت المناسب باستخدام المرايا والعدسات لنقل النبض إلى الموقع المستهدف، أو حتى نقل النبض عبر الهواء فقط.

يتم قياس التشوه الزمني هذا باستخدام مقياس يسمى التشتت الجماعي المتأخر (GDD)، المعروف أيضًا باسم التشتت من الدرجة الثانية. في الواقع، هناك أيضًا مصطلحات تشتت عالية الترتيب قد تؤثر على التوزيع الزمني لنبضات الليزر فائقة السرعة، ولكن في الممارسة العملية، عادةً ما يكون ذلك كافيًا فقط لفحص تأثير GDD. GDD هي قيمة تعتمد على التردد وتتناسب خطيًا مع سمك مادة معينة. تحتوي بصريات ناقل الحركة مثل العدسة والنافذة والمكونات الموضوعية عادةً على قيم GDD موجبة، مما يشير إلى أنه بمجرد ضغط النبضات يمكن أن تعطي بصريات الإرسال مدة نبض أطول من تلك المنبعثة منأنظمة الليزر. تنتشر المكونات ذات الترددات المنخفضة (أي الأطوال الموجية الأطول) بشكل أسرع من المكونات ذات الترددات الأعلى (أي الأطوال الموجية الأقصر). ومع مرور النبضة عبر المزيد والمزيد من المادة، سيستمر الطول الموجي في النبضة في التمدد أكثر فأكثر مع مرور الوقت. بالنسبة لفترات النبض الأقصر، وبالتالي عروض النطاق الأوسع، يكون هذا التأثير مبالغًا فيه بشكل أكبر ويمكن أن يؤدي إلى تشويه كبير في وقت النبض.

تطبيقات الليزر فائق السرعة
التحليل الطيفي
منذ ظهور مصادر الليزر فائق السرعة، أصبح التحليل الطيفي أحد مجالات التطبيق الرئيسية. ومن خلال تقليل مدة النبضة إلى الفيمتو ثانية أو حتى الأتو ثانية، يمكن الآن تحقيق العمليات الديناميكية في الفيزياء والكيمياء والبيولوجيا التي كان من المستحيل ملاحظتها تاريخيًا. إحدى العمليات الرئيسية هي الحركة الذرية، وقد أدت مراقبة الحركة الذرية إلى تحسين الفهم العلمي للعمليات الأساسية مثل الاهتزاز الجزيئي، والتفكك الجزيئي، ونقل الطاقة في بروتينات التمثيل الضوئي.

التصوير الحيوي
تدعم أجهزة الليزر فائقة السرعة ذات ذروة الطاقة العمليات غير الخطية وتحسن دقة التصوير البيولوجي، مثل الفحص المجهري متعدد الفوتون. في نظام متعدد الفوتونات، من أجل توليد إشارة غير خطية من وسط بيولوجي أو هدف فلورسنت، يجب أن يتداخل فوتونان في المكان والزمان. تعمل هذه الآلية غير الخطية على تحسين دقة التصوير عن طريق تقليل إشارات مضان الخلفية بشكل كبير والتي تبتلي دراسات عمليات الفوتون الواحد. يتم توضيح خلفية الإشارة المبسطة. كما تمنع منطقة الإثارة الأصغر في المجهر متعدد الفوتون السمية الضوئية وتقلل من الضرر الذي يلحق بالعينة.

الشكل 1: رسم تخطيطي مثال لمسار شعاع في تجربة مجهر متعدد الفوتون

معالجة المواد بالليزر
أحدثت مصادر الليزر فائقة السرعة أيضًا ثورة في التصنيع الدقيق بالليزر ومعالجة المواد نظرًا للطريقة الفريدة التي تتفاعل بها النبضات فائقة القصر مع المواد. كما ذكرنا سابقًا، عند مناقشة LDT، تكون مدة النبضة فائقة السرعة أسرع من المقياس الزمني لانتشار الحرارة في شبكة المادة. تنتج أجهزة الليزر فائقة السرعة منطقة أصغر بكثير متأثرة بالحرارةليزر نبضي بالنانو ثانيةمما يؤدي إلى تقليل خسائر الشق وتصنيع الآلات بشكل أكثر دقة. وينطبق هذا المبدأ أيضًا على التطبيقات الطبية، حيث تساعد الدقة المتزايدة للقطع بالليزر الفائق على تقليل الضرر الذي يلحق بالأنسجة المحيطة ويحسن تجربة المريض أثناء جراحة الليزر.

نبضات الأتوثانية: مستقبل الليزر فائق السرعة
مع استمرار الأبحاث لتطوير أجهزة الليزر فائقة السرعة، يتم تطوير مصادر ضوء جديدة ومحسنة ذات فترات نبض أقصر. للحصول على نظرة ثاقبة للعمليات الفيزيائية الأسرع، يركز العديد من الباحثين على توليد نبضات الأتو ثانية - حوالي 10-18 ثانية في نطاق الطول الموجي للأشعة فوق البنفسجية القصوى (XUV). تسمح نبضات الأتو ثانية بتتبع حركة الإلكترون وتحسين فهمنا للبنية الإلكترونية وميكانيكا الكم. في حين أن دمج ليزر الأتوثانية XUV في العمليات الصناعية لم يحرز تقدمًا كبيرًا بعد، فمن المؤكد أن البحث المستمر والتقدم في هذا المجال سيدفع هذه التكنولوجيا خارج المختبر إلى التصنيع، كما كان الحال مع الفيمتو ثانية والبيكو ثانيةمصادر الليزر.