Die Entwicklung und Anwendung der Femtosekundenlasertechnologie
2021-12-15
Seit Maman 1960 zum ersten Mal eine Laserpulsausgabe erhielt, kann der Prozess der menschlichen Kompression der Laserpulsbreite grob in drei Phasen unterteilt werden: Q-Switching-Technologiephase, Mode-Locking-Technologiephase und Chirp-Pulse-Amplification-Technologiephase. Chirped Pulse Amplification (CPA) ist eine neue Technologie, die entwickelt wurde, um den Selbstfokussierungseffekt zu überwinden, der von Festkörperlasermaterialien während der Femtosekundenlaserverstärkung erzeugt wird. Es liefert zunächst ultrakurze Pulse, die von modengekoppelten Lasern erzeugt werden. "Positiver Chirp", erweitern Sie die Impulsbreite auf Pikosekunden oder sogar Nanosekunden zur Verstärkung und verwenden Sie dann die Chirp-Kompensationsmethode (negativer Chirp), um die Impulsbreite zu komprimieren, nachdem Sie eine ausreichende Energieverstärkung erhalten haben. Von großer Bedeutung ist die Entwicklung von Femtosekundenlasern. Vor 1990,FemtosekundenlaserPulse wurden unter Verwendung von Farbstofflaser-Modenkopplungstechnologie mit großer Verstärkungsbandbreite erhalten. Die Wartung und Verwaltung des Farbstofflasers ist jedoch äußerst kompliziert, was seine Anwendung einschränkt. Mit der Verbesserung der Qualität von Ti:Saphir-Kristallen können auch kürzere Kristalle verwendet werden, um ausreichend hohe Verstärkungen zu erhalten, um eine kurze Impulsoszillation zu erreichen. 1991 haben Spence et al. erstmals einen selbstmodengekoppelten Ti:Saphir-Femtosekundenlaser entwickelt. Die erfolgreiche Entwicklung eines Ti:Saphir-Femtosekundenlasers mit einer Impulsbreite von 60 fs hat die Anwendung und Entwicklung von Femtosekundenlasern stark vorangetrieben. Im Jahr 1994 wurde die Chirp-Puls-Verstärkungstechnologie verwendet, um Laserpulse von weniger als 10 fs zu erhalten, derzeit mit Hilfe der Kerr-Linsen-Selbstmodus-Verriegelungstechnologie, der optisch-parametrischen Chirp-Puls-Verstärkungstechnologie, der Hohlraumentleerungstechnologie, der Multi-Pass-Verstärkungstechnologie usw. kann Laser herstellen Die Impulsbreite wird auf weniger als 1 fs komprimiert, um in den Attosekundenbereich einzutreten, und die Spitzenleistung des Laserimpulses wird ebenfalls von Terawatt (1TW = 10 ^ 12 W) auf Petawatt (1 PW = 10 ^ 15 W) erhöht. Diese großen Durchbrüche in der Lasertechnologie haben umfangreiche und tiefgreifende Veränderungen in vielen Bereichen ausgelöst. Auf dem Gebiet der Physik kann das vom Femtosekundenlaser erzeugte elektromagnetische Feld mit ultrahoher Intensität relativistische Neutronen erzeugen und auch Atome und Moleküle direkt manipulieren. Auf einem Desktop-Kernfusionslasergerät wird ein Femtosekunden-Laserpuls verwendet, um Deuterium-Tritium-Molekülcluster zu bestrahlen. Es kann eine Kernfusionsreaktion initiieren und eine große Anzahl von Neutronen erzeugen. Wenn der Femtosekundenlaser mit Wasser interagiert, kann das Wasserstoffisotop Deuterium eine Kernfusionsreaktion durchlaufen, wodurch enorme Energiemengen erzeugt werden. Die Verwendung von Femtosekundenlasern zur Steuerung der Kernfusion kann eine steuerbare Kernfusionsenergie erhalten. Im Universe Physics Laboratory kann hochenergetisches Plasma, das durch ultrahochintensive Lichtpulse von Femtosekundenlasern erzeugt wird, die inneren Phänomene der Milchstraße und Sterne auf der Erde reproduzieren. Die Femtosekunden-Zeitauflösungsmethode kann die Änderungen der im Nanoraum platzierten Moleküle und ihre internen elektronischen Zustände auf der Zeitskala von Femtosekunden deutlich beobachten. In der Biomedizin werden aufgrund der hohen Spitzenleistung und Leistungsdichte von Femtosekundenlasern bei der Wechselwirkung mit verschiedenen Materialien häufig verschiedene nichtlineare Effekte wie Multiphotonen-Ionisation und Selbstfokussierungseffekte verursacht. Gleichzeitig ist die Wechselwirkungszeit zwischen dem Femtosekundenlaser und biologischem Gewebe unbedeutend im Vergleich zur thermischen Relaxationszeit biologischer Gewebe (in der Größenordnung von ns). Für biologisches Gewebe wird ein Temperaturanstieg von wenigen Grad zu einer Druckwelle auf die Nerven. Die Zellen verursachen Schmerzen und Hitzeschäden an den Zellen, sodass mit dem Femtosekundenlaser eine schmerz- und hitzefreie Behandlung erreicht werden kann. Der Femtosekundenlaser hat die Vorteile von geringer Energie, geringem Schaden, hoher Genauigkeit und strenger Positionierung im dreidimensionalen Raum, wodurch die besonderen Anforderungen des biomedizinischen Bereichs in höchstem Maße erfüllt werden können. Der Femtosekundenlaser wird zur Behandlung von Zähnen verwendet, um saubere und aufgeräumte Kanäle ohne Kantenschäden zu erhalten, wobei der Einfluss von mechanischer Belastung und thermischer Belastung durch Langpulslaser (wie Er:YAG), Verkalkung, Risse und raue Oberflächen vermieden wird. Wenn der Femtosekundenlaser zum Feinschneiden von biologischem Gewebe angewendet wird, kann die Plasmalumineszenz während der Wechselwirkung des Femtosekundenlasers mit biologischem Gewebe spektral analysiert und Knochengewebe und Knorpelgewebe identifiziert werden, um zu bestimmen und zu steuern, was wird im chirurgischen Behandlungsprozess Pulsenergie benötigt. Diese Technik ist von großer Bedeutung für die Nerven- und Wirbelsäulenchirurgie. Der Femtosekundenlaser mit einem Wellenlängenbereich von 630–1053 nm kann sicheres, sauberes, hochpräzises nicht-thermisches chirurgisches Schneiden und Abtragen von menschlichem Gehirngewebe durchführen. Ein Femtosekundenlaser mit einer Wellenlänge von 1060 nm, einer Pulsbreite von 800 fs, einer Pulswiederholfrequenz von 2 kHz und einer Pulsenergie von 40 μJ kann saubere, hochpräzise Hornhaut-Schnittoperationen durchführen. Der Femtosekundenlaser hat die Eigenschaft, dass er nicht thermisch geschädigt wird, was für die Lasermyokardrevaskularisation und die Laserangioplastie von großer Bedeutung ist. Im Jahr 2002 setzte das Hannover Laser Center in Deutschland einen Femtosekundenlaser ein, um die bahnbrechende Herstellung von Gefäßstentstrukturen auf einem neuen Polymermaterial abzuschließen. Verglichen mit dem vorherigen Edelstahlstent hat dieser Gefäßstent eine gute Biokompatibilität und biologische Kompatibilität. Die Abbaubarkeit ist für die Behandlung der koronaren Herzkrankheit von großer Bedeutung. Bei klinischen Tests und Bioassays kann die Femtosekundenlasertechnologie das biologische Gewebe von Organismen automatisch auf mikroskopischer Ebene schneiden und hochauflösende dreidimensionale Bilder erhalten. Diese Technologie ist von großer Bedeutung für die Diagnose und Behandlung von Krebs und die Untersuchung von 368 genetischen Mutationen bei Tieren. Auf dem Gebiet der Gentechnik. Im Jahr 2001 verwendete K.Konig aus Deutschland Ti:SapphireFemtosekundenlaserzur Durchführung von Operationen im Nanomaßstab an menschlicher DNA (Chromosomen) (Mindestschnittbreite 100 nm). Im Jahr 2002 verwendeten U.irlapur und Koing aFemtosekundenlaserum eine reversible Mikropore in der Krebszellmembran herzustellen, und ließ dann DNA durch dieses Loch in die Zelle eindringen. Später schloss das zelleigene Wachstum das Loch und damit gelang der Gentransfer. Diese Technik hat die Vorteile hoher Zuverlässigkeit und guter Transplantationswirkung und ist von großer Bedeutung für die Transplantation von fremdem genetischem Material in verschiedene Zellen, einschließlich Stammzellen. Im Bereich Zell-Engineering werden Femtosekundenlaser eingesetzt, um nanochirurgische Operationen an lebenden Zellen durchzuführen, ohne die Zellmembran zu beschädigen. Diese Femtosekundenlaser-Operationstechniken haben positive Bedeutung für die Erforschung der Gentherapie, der Zelldynamik, der Zellpolarität, der Arzneimittelresistenz und der verschiedenen Komponenten von Zellen und der subzellulären heterogenen Struktur. Auf dem Gebiet der Lichtleitfaserkommunikation ist die Ansprechzeit von Materialien für optoelektronische Halbleitervorrichtungen der "Engpass", der die Lichtleitfaserkommunikation mit superkommerzieller Geschwindigkeit einschränkt. Die Anwendung der kohärenten Femtosekunden-Steuerungstechnologie lässt die Geschwindigkeit von optischen Halbleiterschaltern 10000 Gbit/s erreichen, was schließlich die theoretische Grenze der Quantenmechanik erreichen kann. . Darüber hinaus wird die Fourier-Wellenform-Formungstechnologie von Femtosekunden-Laserpulsen auf optische Kommunikationen mit großer Kapazität wie Zeitmultiplex, Wellenlängenmultiplex und Codemultiplex-Mehrfachzugriff angewendet, und es kann eine Datenübertragungsrate von 1 Tbit/s erreicht werden. Im Bereich der Feinstbearbeitung kommt der starke Selbstfokussierungseffekt zum TragenFemtosekundenlaserPulse in transparenten Medien machen den Brennpunkt des Lasers kleiner als die Beugungsgrenze, wodurch Mikroexplosionen im transparenten Material Stereopixel mit Durchmessern im Submikrometerbereich bilden. Unter Verwendung dieses Verfahrens kann eine dreidimensionale optische Speicherung mit hoher Dichte durchgeführt werden, und die Speicherdichte kann 10^12 Bits/cm3 erreichen. Und kann schnelles Datenlesen, Schreiben und parallelen wahlfreien Datenzugriff realisieren. Das Übersprechen zwischen benachbarten Datenbitschichten ist sehr gering, und die dreidimensionale Speichertechnologie ist zu einer neuen Forschungsrichtung in der Entwicklung der aktuellen Massenspeichertechnologie geworden. Lichtwellenleiter, Strahlteiler, Koppler usw. sind die grundlegenden optischen Komponenten der integrierten Optik. Mit Femtosekundenlasern auf einer computergesteuerten Bearbeitungsplattform können beliebig geformte zwei- und dreidimensionale Lichtwellenleiter an beliebigen Stellen im Material hergestellt werden. , Strahlteiler, Koppler und andere photonische Geräte und können mit Standard-Glasfaser gekoppelt werden, mit Femtosekundenlaser können auch 45 ° -Mikrospiegel im Inneren des lichtempfindlichen Glases hergestellt werden, und jetzt wurde ein optischer Schaltkreis hergestellt, der aus 3 internen Mikrospiegeln besteht , Kann den Strahl im Bereich von 4 mm x 5 mm um 270 ° drehen lassen. Wissenschaftlich gesehen haben Wissenschaftler in den Vereinigten Staaten kürzlich Femtosekundenlaser verwendet, um einen optischen Wellenleiter mit einer Länge von 1 cm herzustellen, der eine Signalverstärkung von 3 dB/cm nahe 1062 nm erzeugen kann. Das Faser-Bragg-Gitter hat effektive Frequenzauswahleigenschaften, ist einfach mit einem Faserkommunikationssystem zu koppeln und hat einen geringen Verlust. Daher weist es reiche Übertragungseigenschaften im Frequenzbereich auf und ist zu einem Forschungs-Hotspot für faseroptische Geräte geworden. Im Jahr 2000 stellten Kawamora K et al. verwendeten zwei Infrarot-Femtosekunden-Laserinterferometrie, um erstmals holografische Oberflächenreliefgitter zu erhalten. Später, mit der Entwicklung von Produktionstechnologie und Technologie, im Jahr 2003 Mihaiby. Set et al. verwendeten Ti:Saphir-Femtosekunden-Laserpulse in Kombination mit Phasenplatten nullter Ordnung, um reflektierende Bragg-Gitter auf dem Kern von Kommunikationsfasern zu erhalten. Es hat einen hohen Modulationsbereich des Brechungsindex und eine gute Temperaturstabilität. Der photonische Kristall ist eine dielektrische Struktur mit periodischer Modulation des Brechungsindex im Raum, und seine Änderungsperiode liegt in der gleichen Größenordnung wie die Wellenlänge des Lichts. Das Photonic Crystal Device ist ein brandneues Gerät, das die Ausbreitung von Photonen steuert und sich zu einem Forschungs-Hotspot auf dem Gebiet der Photonik entwickelt hat. Im Jahr 2001 veröffentlichten Sun H. B. et al. verwendeten Femtosekundenlaser, um photonische Kristalle mit beliebigen Gittern in Germanium-dotiertem Quarzglas herzustellen, die einzelne Atome einzeln auswählen können. Im Jahr 2003 haben Serbin J et al. verwendeten einen Femtosekundenlaser, um eine Zwei-Photonen-Polymerisation von anorganisch-organischen Hybridmaterialien zu induzieren, um dreidimensionale Mikrostrukturen und photonische Kristalle mit einer Strukturgröße von weniger als 200 nm und einer Periode von 450 nm zu erhalten. Femtosekundenlaser haben bahnbrechende Ergebnisse auf dem Gebiet der mikrophotonischen Geräteverarbeitung erzielt, so dass Richtverbinder, Bandpassfilter, Multiplexer, optische Schalter, Wellenlängenkonverter und Modulatoren auf einem „Chip“ verarbeitet werden können. Planare Lichtwellenschleifen mit anderen Komponenten sind möglich. Grundstein für photonische Geräte gelegt, um elektronische Geräte zu ersetzen. Die Fotomasken- und Lithografietechnologie ist eine Schlüsseltechnologie auf dem Gebiet der Mikroelektronik, die in direktem Zusammenhang mit der Qualität und Produktionseffizienz von integrierten Schaltungsprodukten steht. Femtosekundenlaser können verwendet werden, um die Defekte der Fotomaske zu reparieren, und die reparierte Linienbreite kann eine Genauigkeit von weniger als 100 nm erreichen. DieFemtosekundenlaserDie Direktschreibtechnologie kann verwendet werden, um schnell und effektiv hochwertige Fotomasken herzustellen. Diese Ergebnisse sind sehr wichtig für die Entwicklung der elektronischen Technologie ist von großer Bedeutung.
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