Розробка та застосування фемтосекундної лазерної технології
2021-12-15
Оскільки Маман вперше отримав вихід лазерного імпульсу в 1960 році, процес стиснення людиною ширини лазерного імпульсу можна грубо розділити на три етапи: етап технології перемикання добротності, етап технології блокування мод і етап технології підсилення чірпового імпульсу. Підсилення імпульсного імпульсу (CPA) – це нова технологія, розроблена для подолання ефекту самофокусування, створеного твердотільними лазерними матеріалами під час фемтосекундного лазерного посилення. Спочатку він забезпечує ультракороткі імпульси, які генеруються лазерами з синхронизацією мод. «Позитивний chirp», розширити ширину імпульсу до пікосекунд або навіть наносекунд для посилення, а потім використовувати метод компенсації chirp (негативний chirp) для стиснення ширини імпульсу після отримання достатнього посилення енергії. Розробка фемтосекундних лазерів має велике значення. До 1990 р.фемтосекундний лазерІмпульси були отримані за допомогою технології блокування мод лазера на барвнику з широкою смугою підсилення. Однак обслуговування та керування лазером на барвнику є надзвичайно складним, що обмежує його застосування. З покращенням якості кристалів Ti:Sapphire можна також використовувати більш короткі кристали для отримання достатньо високого підсилення для досягнення коротких імпульсних коливань. У 1991 році Spence et al. вперше розробив Ti:Sapphire фемтосекундний лазер із самоблокуванням моди. Успішна розробка Ti:Sapphire фемтосекундного лазера з шириною імпульсу 60 фс значно сприяла застосуванню та розробці фемтосекундних лазерів. У 1994 році було використано технологію підсилення чірпового імпульсу для отримання лазерних імпульсів менше 10 фс, в даний час за допомогою технології самоблокування режиму лінзи Керра, технології підсилення оптичного параметричного чирпованого імпульсу, технології спорожнення порожнини, технології багатопрохідного посилення тощо. може зробити лазер. Ширина імпульсу стискається до менш ніж 1fs, щоб увійти в аттосекундний домен, і пікова потужність лазерного імпульсу також збільшується з терават (1TW=10^12W) до петават (1PW=10^15W). Ці великі прориви в лазерній технології викликали великі та глибокі зміни в багатьох областях. У галузі фізики електромагнітне поле надвисокої інтенсивності, створене фемтосекундним лазером, може генерувати релятивістські нейтрони, а також може безпосередньо маніпулювати атомами і молекулами. На настільному термоядерному лазерному пристрої для опромінення молекулярних кластерів дейтерію-тритію використовується фемтосекундний лазерний імпульс. Він може ініціювати реакцію ядерного синтезу і виробляти велику кількість нейтронів. Коли фемтосекундний лазер взаємодіє з водою, він може спричинити реакцію ядерного синтезу ізотопу водню-дейтерію, утворюючи величезну кількість енергії. Використання фемтосекундних лазерів для управління ядерним синтезом може отримати керовану енергію ядерного синтезу. У лабораторії фізики Всесвіту плазма з високою щільністю енергії, створена світловими імпульсами надвисокої інтенсивності фемтосекундних лазерів, може відтворювати внутрішні явища Чумацького Шляху та зірок на землі. За допомогою фемтосекундного методу розрізнення часу можна чітко спостерігати зміни молекул, розміщених у нанопросторі, та їхніх внутрішніх електронних станів у часовому масштабі фемтосекунд. У галузі біомедицини через високу пікову потужність і щільність потужності фемтосекундних лазерів при взаємодії з різними матеріалами часто виникають різні нелінійні ефекти, такі як багатофотонні іонізації та ефекти самофокусування. При цьому час взаємодії фемтосекундного лазера з біологічними тканинами незначний порівняно з часом теплової релаксації біологічних тканин (порядку нс). Для біологічних тканин підвищення температури на кілька градусів стане хвилею тиску на нерви. Клітини викликають біль і пошкодження клітин, тому фемтосекундний лазер може досягти безболісного та безтеплового лікування. Фемтосекундний лазер має переваги низької енергії, малих пошкоджень, високої точності та суворого позиціонування в тривимірному просторі, що може найбільшою мірою задовольнити особливі потреби біомедичної галузі. Фемтосекундний лазер використовується для лікування зубів для отримання чистих і акуратних каналів без будь-яких пошкоджень країв, уникаючи впливу механічного і теплового напруження, викликаного довгоімпульсними лазерами (наприклад, Er:YAG), кальцифікації, тріщин і шорстких поверхонь. Коли фемтосекундний лазер застосовується для тонкого різання біологічних тканин, люмінесценція плазми під час взаємодії фемтосекундного лазера з біологічними тканинами може бути проаналізована за спектром, і кісткова тканина та хрящова тканина можуть бути ідентифіковані, щоб визначити та контролювати, що необхідна в процесі хірургічного лікування Енергія імпульсу. Ця техніка має велике значення для хірургії нервів і хребта. Фемтосекундний лазер з діапазоном довжин хвиль 630-1053 нм може виконувати безпечне, чисте, високоточне нетермічне хірургічне розрізання та абляцію тканин головного мозку людини. Фемтосекундний лазер з довжиною хвилі 1060 нм, шириною імпульсу 800 фс, частотою повторення імпульсів 2 кГц і енергією імпульсу 40 ¼ Дж може виконувати чисті, високоточні операції різання рогівки. Фемтосекундний лазер має характеристики відсутності термічних пошкоджень, що має велике значення для лазерної реваскуляризації міокарда та лазерної ангіопластики. У 2002 році Ганноверський лазерний центр у Німеччині використав фемтосекундний лазер для завершення проривного виробництва судинної структури стента на новому полімерному матеріалі. У порівнянні з попереднім стентом з нержавіючої сталі, цей судинний стент має хорошу біосумісність і біологічну сумісність. Розкладність має велике значення для лікування ішемічної хвороби серця. У клінічних випробуваннях та біоаналізах фемтосекундна лазерна технологія може автоматично розрізати біологічні тканини організмів на мікроскопічному рівні та отримувати тривимірні зображення високої чіткості. Ця технологія має велике значення для діагностики та лікування раку та вивчення 368 генетичних мутацій тварин. У галузі генної інженерії. У 2001 році К.Коніг з Німеччини використав Ti:Sapphireфемтосекундний лазердля виконання нанорозмірних операцій над ДНК (хромосомами) людини (мінімальна ширина різання 100 нм). У 2002 році U.irlapur і Koing використовували aфемтосекундний лазерстворити оборотну мікропору в мембрані ракової клітини, а потім дозволити ДНК проникнути в клітину через цей отвір. Пізніше власний ріст клітини закрив дірку, таким чином успішно досягнувши перенесення гена. Ця методика має переваги високої надійності та хорошого ефекту трансплантації, а також має велике значення для трансплантації чужорідного генетичного матеріалу в різні клітини, включаючи стовбурові. У галузі клітинної інженерії фемтосекундні лазери використовуються для виконання нанохірургічних операцій у живих клітинах без пошкодження клітинної мембрани. Ці методи фемтосекундного лазера мають позитивне значення для дослідження генної терапії, динаміки клітин, полярності клітин, стійкості до ліків, а також різних компонентів клітин і субклітинної гетерогенної структури. У сфері волоконно-оптичного зв'язку час відгуку матеріалів напівпровідникових оптоелектронних пристроїв є "вузьким місцем", яке обмежує суперкомерційну швидкість оптоволоконного зв'язку. Застосування фемтосекундної технології когерентного керування дозволяє швидкості напівпровідникових оптичних перемикачів досягати 10000 Гбіт/с, що нарешті може досягти теоретичної межі квантової механіки. . Крім того, технологія формування сигналу Фур’є фемтосекундних лазерних імпульсів застосовується до оптичних комунікацій великої ємності, таких як мультиплексування з тимчасовим поділом, мультиплексування з поділом довжини хвилі та множинний доступ із кодовим поділом, а також можна отримати швидкість передачі даних 1 Тбіт/с. У сфері ультратонкої обробки сильний ефект самофокусуванняфемтосекундний лазерІмпульси в прозорому середовищі роблять фокусну пляму лазера меншим за межу дифракції, викликаючи мікровибухи всередині прозорого матеріалу, утворюючи стереопікселі з субмікронним діаметром. Використовуючи цей метод, можна виконати тривимірне оптичне зберігання високої щільності, а щільність зберігання може досягати 10^12 біт/см3. І може реалізувати швидке читання, запис і паралельний довільний доступ до даних. Перехресні перешкоди між сусідніми бітовими шарами даних дуже малий, і технологія тривимірного зберігання стала новим напрямком досліджень у розвитку сучасних технологій зберігання даних. Основними оптичними компонентами інтегральної оптики є оптичні хвилеводи, розгалужувачі, розгалужувачі тощо. Використовуючи фемтосекундні лазери на керованій комп’ютером платформі обробки, двовимірні та тривимірні оптичні хвилеводи будь-якої форми можуть бути виготовлені в будь-якому місці всередині матеріалу. , Розділювач променів, з'єднувач та інші фотонні пристрої, які можуть бути з'єднані зі стандартним оптичним волокном, за допомогою фемтосекундного лазера можна також створити мікродзеркало під кутом 45 ° всередині світлочутливого скла, і тепер була виготовлена оптична схема, що складається з 3 внутрішніх мікро-дзеркал. , Може змусити промінь обертатися на 270° в області 4 мм x 5 мм. Більш науково, вчені зі Сполучених Штатів нещодавно використали фемтосекундні лазери для створення оптичного хвилеводу довжиною 1 см, який може генерувати посилення сигналу 3 дБ/см поблизу 1062 нм. Волоконна решітка Брегга має ефективні характеристики вибору частоти, легко з'єднується з волоконною системою зв'язку і має низькі втрати. Таким чином, він демонструє багаті характеристики передачі в частотній області і став центром дослідження волоконно-оптичних пристроїв. У 2000 році Kawamora K et al. використав дві інфрачервоні фемтосекундні лазерні інтерферометрії для отримання рельєфних голографічних решіток поверхні вперше. Пізніше, з розвитком технології виробництва і технології, в 2003 р. Михайби. S et al. використовували фемтосекундні лазерні імпульси Ti:Sapphire в поєднанні з фазовими пластинами нульового порядку для отримання відбиваючих решіток Брегга на серцевині комунікаційних волокон. Він має високий діапазон модуляції коефіцієнта заломлення та хорошу температурну стабільність. Фотонний кристал являє собою діелектричну структуру з періодичною модуляцією коефіцієнта заломлення в просторі, і період його зміни дорівнює порядку величини, що й довжина хвилі світла. Пристрій фотонного кристала – це абсолютно новий пристрій, який контролює поширення фотонів, і став центром дослідження в області фотоніки. У 2001 році Sun H B et al. використовував фемтосекундні лазери для виготовлення фотонних кристалів з довільними ґратами в легованій германієм кремнієвому склі, які можуть окремо вибирати окремі атоми. У 2003 році Serbin J et al. використовував фемтосекундний лазер для індукування двофотонної полімеризації неоргано-органічних гібридних матеріалів для отримання тривимірних мікроструктур і фотонних кристалів з розміром структури менше 200 нм і періодом 450 нм. Фемтосекундні лазери досягли проривних результатів у сфері обробки мікрофотонних пристроїв, завдяки чому спрямовані роз’єми, смугові фільтри, мультиплексори, оптичні перемикачі, перетворювачі довжини хвилі та модулятори можна обробляти на «чіпі» Планарні світлохвильові петлі з іншими компонентами. Заклав основу для фотонних пристроїв, які замінять електронні пристрої. Технологія фотомаски та літографії є ключовою технологією в галузі мікроелектроніки, яка безпосередньо пов’язана з якістю та ефективністю виробництва продукції інтегральних схем. Для усунення дефектів фотомаски можна використовувати фемтосекундні лазери, а ширина відремонтованої лінії може досягати точності менше 100 нм. Theфемтосекундний лазерТехнологія прямого запису може бути використана для швидкого та ефективного виготовлення високоякісних фотомасок. Ці результати дуже важливі для мікро. Розвиток електронних технологій має велике значення.
We use cookies to offer you a better browsing experience, analyze site traffic and personalize content. By using this site, you agree to our use of cookies.
Privacy Policy
