Laser ultrarrápido exclusivo, parte dois

Exclusivolaser ultrarrápidoparte dois

Dispersão e propagação de pulso: Dispersão de atraso de grupo
Um dos desafios técnicos mais difíceis encontrados ao usar lasers ultrarrápidos é manter a duração dos pulsos ultracurtos inicialmente emitidos pelolaser. Os pulsos ultrarrápidos são muito suscetíveis à distorção do tempo, o que torna os pulsos mais longos. Este efeito piora à medida que a duração do pulso inicial diminui. Embora os lasers ultrarrápidos possam emitir pulsos com duração de 50 segundos, eles podem ser amplificados no tempo usando espelhos e lentes para transmitir o pulso ao local alvo, ou mesmo apenas transmitir o pulso através do ar.

Essa distorção temporal é quantificada usando uma medida chamada dispersão atrasada de grupo (GDD), também conhecida como dispersão de segunda ordem. Na verdade, também existem termos de dispersão de ordem superior que podem afetar a distribuição temporal dos pulsos de laser ultrafart, mas na prática, geralmente é suficiente apenas examinar o efeito do GDD. GDD é um valor dependente da frequência que é linearmente proporcional à espessura de um determinado material. Óptica de transmissão, como lente, janela e componentes objetivos, normalmente têm valores GDD positivos, o que indica que, uma vez comprimidos, os pulsos podem dar à óptica de transmissão uma duração de pulso mais longa do que aqueles emitidos porsistemas laser. Componentes com frequências mais baixas (isto é, comprimentos de onda mais longos) se propagam mais rapidamente do que componentes com frequências mais altas (isto é, comprimentos de onda mais curtos). À medida que o pulso passa por mais e mais matéria, o comprimento de onda do pulso continuará a se estender cada vez mais no tempo. Para durações de pulso mais curtas e, portanto, larguras de banda mais amplas, esse efeito é ainda mais exagerado e pode resultar em distorção significativa do tempo de pulso.

Aplicações de laser ultrarrápidas
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 femtossegundos ou mesmo attosegundos, processos dinâmicos em física, química e biologia que eram historicamente impossíveis de observar agora podem ser alcançados. Um dos processos principais é o movimento atômico, e a observação do movimento atômico melhorou a compreensão científica de processos fundamentais, como vibração molecular, dissociação molecular e transferência de energia em proteínas fotossintéticas.

bioimagem
Lasers ultrarrápidos de potência máxima suportam processos não lineares e melhoram a resolução de imagens biológicas, como microscopia multifótons. Num sistema multifótons, 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. Este mecanismo não linear melhora a resolução da imagem, reduzindo significativamente os sinais de fluorescência de fundo que afetam os estudos de processos de fóton único. O fundo do sinal simplificado é ilustrado. A região de excitação menor do microscópio multifotônico também evita a fototoxicidade e minimiza os danos à amostra.

Figura 1: Um diagrama de exemplo de um caminho de feixe em um experimento de microscópio multifóton

Processamento de materiais a laser
As fontes de laser ultrarrápidas também revolucionaram a microusinagem a laser e o processamento de materiais devido à maneira única como os pulsos ultracurtos interagem com os materiais. Conforme mencionado anteriormente, ao discutir o LDT, a duração do pulso ultrarrápido é mais rápida do que a escala de tempo de difusão do calor na rede do material. Lasers ultrarrápidos produzem uma zona afetada pelo calor muito menor do quelasers pulsados ​​​​de nanossegundos, resultando em menores perdas de incisão e usinagem mais precisa. Este princípio também se aplica a aplicações médicas, onde a maior precisão do corte a laser ultrafart ajuda a reduzir os danos ao tecido circundante e melhora a experiência do paciente durante a cirurgia a laser.

Pulsos de attosegundo: o futuro dos lasers ultrarrápidos
À medida que a pesquisa continua avançando em lasers ultrarrápidos, novas e aprimoradas 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 ultravioleta extremo (XUV). Os pulsos de attosegundo permitem o rastreamento do movimento dos elétrons e melhoram nossa compreensão da estrutura eletrônica e da mecânica quântica. Embora a integração de lasers de attosegundo XUV em processos industriais ainda não tenha feito progressos significativos, pesquisas e avanços contínuos no campo quase certamente empurrarão essa tecnologia para fora do laboratório e para a fabricação, como foi o caso do femtossegundo e do picossegundo.fontes de laser.