독특한 초고속 레이저 2부

고유한초고속 레이저두 번째 부분

분산 및 펄스 확산: 군 지연 분산
초고속 레이저를 사용할 때 발생하는 가장 어려운 기술적 과제 중 하나는 처음에 방출되는 초단 펄스의 지속 시간을 유지하는 것입니다.원자 램프초고속 펄스는 시간 왜곡에 매우 취약하여 펄스가 길어집니다. 이러한 현상은 초기 펄스의 지속 시간이 짧아질수록 더욱 심해집니다. 초고속 레이저는 50초 동안 펄스를 방출할 수 있지만, 거울과 렌즈를 사용하여 펄스를 목표 위치로 전송하거나 공기를 통해 펄스를 전송함으로써 시간적으로 증폭될 수 있습니다.

이 시간 왜곡은 군 지연 분산(GDD)이라는 척도를 사용하여 정량화되는데, 이는 2차 분산이라고도 합니다. 실제로 초광속 레이저 펄스의 시간 분포에 영향을 미칠 수 있는 고차 분산 항도 있지만, 실제로는 GDD의 영향을 살펴보는 것만으로도 충분합니다. GDD는 주어진 재료의 두께에 선형적으로 비례하는 주파수 의존 값입니다. 렌즈, 창, 대물렌즈 부품과 같은 투과 광학 장치는 일반적으로 양의 GDD 값을 가지는데, 이는 압축된 펄스가 방출된 펄스보다 투과 광학 장치에 더 긴 펄스 지속 시간을 제공할 수 있음을 나타냅니다.레이저 시스템낮은 주파수(즉, 긴 파장)를 가진 성분은 높은 주파수(즉, 짧은 파장)를 가진 성분보다 더 빠르게 전파됩니다. 펄스가 더 많은 물질을 통과할수록 펄스의 파장은 시간이 지남에 따라 점점 더 길어집니다. 펄스 지속 시간이 짧고 대역폭이 더 넓을 경우, 이러한 효과는 더욱 증폭되어 심각한 펄스 시간 왜곡을 초래할 수 있습니다.

초고속 레이저 응용 분야
분광학
초고속 레이저 광원의 등장 이후, 분광학은 그 주요 응용 분야 중 하나가 되었습니다. 펄스 지속 시간을 펨토초 또는 아토초로 단축함으로써, 과거에는 관측이 불가능했던 물리, 화학, 생물학 분야의 동적 과정을 이제 관측할 수 있게 되었습니다. 핵심 과정 중 하나는 원자 운동이며, 원자 운동의 관측은 분자 진동, 분자 해리, 광합성 단백질의 에너지 전달과 같은 근본적인 과정에 대한 과학적 이해를 향상시켰습니다.

바이오이미징
피크 파워 초고속 레이저는 비선형 프로세스를 지원하고 다광자 현미경과 같은 생물학적 이미징의 해상도를 향상시킵니다. 다광자 시스템에서 생물학적 매질이나 형광 표적으로부터 비선형 신호를 생성하려면 두 광자가 공간과 시간적으로 중첩되어야 합니다. 이 비선형 메커니즘은 단일 광자 프로세스 연구에 어려움을 주는 배경 형광 신호를 크게 줄여 이미징 해상도를 향상시킵니다. 단순화된 신호 배경은 그림과 같습니다. 다광자 현미경의 더 작은 여기 영역은 광독성을 방지하고 샘플 손상을 최소화합니다.

그림 1: 다중 광자 현미경 실험에서의 빔 경로의 예시 다이어그램

레이저 소재 가공
초고속 레이저 광원은 초단 펄스가 재료와 상호작용하는 독특한 방식으로 인해 레이저 미세 가공 및 재료 가공에 혁명을 일으켰습니다. 앞서 언급했듯이, LDT(초고속 열전도도)에 대해 설명할 때 초고속 펄스 지속 시간은 재료 격자로의 열 확산 시간보다 빠릅니다. 초고속 레이저는 열 영향부를 훨씬 작게 만듭니다.나노초 펄스 레이저절개 손실을 줄이고 가공 정밀도를 더욱 높일 수 있습니다. 이 원리는 의료 분야에도 적용 가능하며, 초고속 레이저 절단의 정밀도 향상은 주변 조직 손상을 줄이고 레이저 수술 중 환자 경험을 개선하는 데 도움이 됩니다.

아토초 펄스: 초고속 레이저의 미래
초고속 레이저 연구가 계속 발전함에 따라, 펄스 지속 시간이 더 짧은 새롭고 향상된 광원이 개발되고 있습니다. 더 빠른 물리적 과정에 대한 통찰력을 얻기 위해 많은 연구자들은 극자외선(XUV) 파장 범위에서 약 10-18초(s)에 달하는 아토초 펄스 생성에 집중하고 있습니다. 아토초 펄스는 전자 운동 추적을 가능하게 하고 전자 구조와 양자 역학에 대한 이해를 높여줍니다. XUV 아토초 레이저를 산업 공정에 통합하는 데는 아직 큰 진전이 없지만, 이 분야의 지속적인 연구와 발전은 펨토초와 피코초 레이저의 경우처럼 이 기술을 실험실을 벗어나 생산 현장으로 끌어올릴 것이 거의 확실합니다.레이저 소스.