Laser ultrarrápido exclusivo, parte dois

Exclusivolaser ultrarrápidoparte dois

Dispersão e alargamento de pulsos: Dispersão do atraso de grupo
Um dos maiores desafios técnicos encontrados ao usar lasers ultrarrápidos é manter a duração dos pulsos ultracurtos inicialmente emitidos pelo laser.laserPulsos ultrarrápidos são muito suscetíveis à distorção temporal, o que faz com que os pulsos se tornem mais longos. Esse efeito piora à medida que a duração do pulso inicial diminui. Embora lasers ultrarrápidos possam emitir pulsos com duração de 50 segundos, eles podem ser amplificados no tempo usando espelhos e lentes para transmitir o pulso até o local alvo, ou mesmo apenas transmiti-lo através do ar.

Essa distorção temporal é quantificada usando uma medida chamada dispersão de atraso de grupo (GDD), também conhecida como dispersão de segunda ordem. Na verdade, existem também termos de dispersão de ordem superior que podem afetar a distribuição temporal dos pulsos de laser ultrarrápido, mas, na prática, geralmente é suficiente examinar apenas o efeito da GDD. A GDD é um valor dependente da frequência que é linearmente proporcional à espessura de um determinado material. Componentes ópticos de transmissão, como lentes, janelas e objetivas, normalmente apresentam valores de GDD positivos, o que indica que, uma vez comprimidos, os pulsos podem fornecer aos componentes ópticos de transmissão uma duração de pulso maior do que a emitida por lasers convencionais.sistemas a laserComponentes com frequências mais baixas (ou seja, comprimentos de onda mais longos) propagam-se mais rapidamente do que componentes com frequências mais altas (ou seja, comprimentos de onda mais curtos). À medida que o pulso atravessa mais e mais matéria, o comprimento de onda do pulso continua a aumentar no tempo. Para durações de pulso mais curtas e, portanto, larguras de banda maiores, esse efeito é ainda mais acentuado e pode resultar em distorção significativa do tempo de pulso.

Aplicações de laser ultrarrápido
espectroscopia
Desde o advento das fontes de laser ultrarrápidas, a espectroscopia tem sido uma de suas principais áreas de aplicação. Ao reduzir a duração do pulso para femtosegundos ou mesmo attosegundos, processos dinâmicos em física, química e biologia que eram historicamente impossíveis de observar agora podem ser alcançados. Um dos processos-chave é o movimento atômico, e a observação desse movimento aprimorou a compreensão científica de processos fundamentais como vibração molecular, dissociação molecular e transferência de energia em proteínas fotossintéticas.

bioimagem
Lasers ultrarrápidos de alta potência permitem processos não lineares e melhoram a resolução para imagens biológicas, como a microscopia multifotônica. Em um sistema multifotônico, para gerar um sinal não linear a partir de um meio biológico ou alvo fluorescente, dois fótons devem se sobrepor no espaço e no tempo. Esse mecanismo não linear melhora a resolução da imagem, reduzindo significativamente os sinais de fluorescência de fundo que prejudicam os estudos de processos de fóton único. A figura ilustra o sinal de fundo simplificado. A menor região de excitação do microscópio multifotônico também previne a fototoxicidade e minimiza os danos à amostra.

Figura 1: Diagrama exemplificativo do trajeto de um feixe em um experimento de microscopia multifotônica.

Processamento de materiais a laser
As fontes de laser ultrarrápidas também revolucionaram a microusinagem a laser e o processamento de materiais devido à maneira singular como os pulsos ultracurtos interagem com os materiais. Como mencionado anteriormente, ao discutir a termodinâmica a laser (LDT), a duração do pulso ultrarrápido é menor que a escala de tempo da difusão de calor na estrutura cristalina do material. Os lasers ultrarrápidos produzem uma zona afetada pelo calor muito menor do que...lasers pulsados ​​de nanossegundos, resultando em menores perdas por incisão e usinagem mais precisa. Esse princípio também é aplicável a aplicações médicas, onde a maior precisão do corte a laser ultrarrápido ajuda a reduzir os danos ao tecido circundante e melhora a experiência do paciente durante a cirurgia a laser.

Pulsos de attossegundos: o futuro dos lasers ultrarrápidos
À medida que a pesquisa avança no desenvolvimento de lasers ultrarrápidos, novas e melhores fontes de luz com durações de pulso mais curtas estão sendo desenvolvidas. Para obter informações sobre processos físicos mais rápidos, muitos pesquisadores estão se concentrando na geração de pulsos de attossegundos – cerca de 10⁻¹⁸ s na faixa de comprimento de onda do ultravioleta extremo (XUV). Os pulsos de attossegundos permitem o rastreamento do movimento de elétrons e melhoram nossa compreensão da estrutura eletrônica e da mecânica quântica. Embora a integração de lasers de attossegundos XUV em processos industriais ainda não tenha apresentado avanços significativos, as pesquisas e os avanços em andamento na área certamente impulsionarão essa tecnologia para fora dos laboratórios e para a indústria, como já ocorreu com os lasers de femtossegundos e picossegundos.fontes de laser.