독보적인 초고속 레이저 2부

고유한초고속 레이저2부

분산 및 펄스 확산: 그룹 지연 분산
초고속 레이저를 사용할 때 직면하는 가장 어려운 기술적 과제 중 하나는 레이저에서 처음 방출되는 초단펄스의 지속 시간을 유지하는 것입니다.원자 램프초고속 펄스는 시간 왜곡에 매우 취약하여 펄스 길이가 길어집니다. 이러한 현상은 초기 펄스의 지속 시간이 짧을수록 더욱 심해집니다. 초고속 레이저는 50초 길이의 펄스를 방출할 수 있지만, 거울과 렌즈를 사용하여 펄스를 목표 위치로 전달하거나, 심지어 공기를 통해 직접 전달함으로써 시간적으로 증폭시킬 수 있습니다.

이러한 시간 왜곡은 그룹 지연 분산(GDD), 또는 2차 분산이라고도 하는 측정값을 사용하여 정량화됩니다. 실제로 초고속 레이저 펄스의 시간 분포에 영향을 줄 수 있는 고차 분산 항도 있지만, 실제로는 GDD의 영향만 살펴보는 것으로 충분한 경우가 많습니다. GDD는 주파수에 따라 달라지는 값으로, 주어진 재료의 두께에 선형적으로 비례합니다. 렌즈, 창, 대물렌즈와 같은 투과 광학 부품은 일반적으로 양의 GDD 값을 가지는데, 이는 압축된 펄스가 투과 광학 부품에 레이저에서 방출되는 펄스보다 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 점점 더 많은 물질을 통과할수록 펄스의 파장은 시간적으로 계속해서 길어집니다. 펄스 지속 시간이 짧고 대역폭이 넓을수록 이러한 효과는 더욱 증폭되어 상당한 펄스 시간 왜곡을 초래할 수 있습니다.

초고속 레이저 응용 분야
분광학
초고속 레이저 광원이 등장한 이후, 분광학은 주요 응용 분야 중 하나였습니다. 펄스 지속 시간을 펨토초 또는 아토초 수준으로 줄임으로써, 과거에는 관찰이 불가능했던 물리, 화학, 생물학 분야의 동적 과정을 관찰할 수 있게 되었습니다. 핵심적인 관찰 대상 중 하나는 원자 운동이며, 원자 운동 관찰은 분자 진동, 분자 해리, 광합성 단백질의 에너지 전달과 같은 기본 과정에 대한 과학적 이해를 증진시켜 왔습니다.

바이오이미징
최대 출력의 초고속 레이저는 비선형 과정을 지원하고 다광자 현미경과 같은 생물학적 이미징의 해상도를 향상시킵니다. 다광자 시스템에서 생물학적 매질이나 형광 표적으로부터 비선형 신호를 생성하려면 두 개의 광자가 공간과 시간적으로 중첩되어야 합니다. 이러한 비선형 메커니즘은 단일 광자 과정 연구에서 문제가 되는 배경 형광 신호를 크게 줄여 이미징 해상도를 향상시킵니다. 단순화된 신호 배경은 그림으로 나타낼 수 있습니다. 또한 다광자 현미경의 작은 여기 영역은 광독성을 방지하고 시료 손상을 최소화합니다.

그림 1: 다광자 현미경 실험에서 빔 경로의 예시 도표

레이저 재료 가공
초고속 레이저 소스는 초단펄스가 재료와 상호작용하는 독특한 방식 덕분에 레이저 미세가공 및 재료 가공 분야에 혁명을 일으켰습니다. 앞서 레이저 열전달(LDT)에 대해 논의할 때 언급했듯이, 초고속 펄스 지속 시간은 재료 격자 내부로 열이 확산되는 시간보다 빠릅니다. 따라서 초고속 레이저는 기존 레이저에 비해 훨씬 작은 열영향부를 생성합니다.나노초 펄스 레이저그 결과 절개 부위 손실이 줄어들고 더욱 정밀한 가공이 가능해집니다. 이러한 원리는 의료 분야에도 적용 가능하며, 초고속 레이저 절단의 정밀도 향상은 주변 조직 손상을 줄이고 레이저 수술 중 환자의 경험을 개선하는 데 도움이 됩니다.

아토초 펄스: 초고속 레이저의 미래
초고속 레이저 연구가 지속적으로 발전함에 따라 펄스 지속 시간이 더 짧은 새롭고 향상된 광원이 개발되고 있습니다. 더 빠른 물리적 과정을 이해하기 위해 많은 연구자들이 극자외선(XUV) 파장 영역에서 약 10⁻¹⁸초에 해당하는 아토초 펄스 생성에 집중하고 있습니다. 아토초 펄스는 전자의 움직임을 추적하고 전자 구조 및 양자 역학에 대한 이해를 증진시키는 데 도움이 됩니다. XUV 아토초 레이저의 산업 공정 적용은 아직 뚜렷한 진전을 보이지 못했지만, 이 분야의 지속적인 연구와 발전은 펨토초 및 피코초 레이저의 경우처럼 이 기술을 연구실 단계를 벗어나 제조 현장으로 빠르게 확산시킬 것으로 예상됩니다.레이저 소스.