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El desarrollo y la aplicación de la tecnología láser de femtosegundo

2021-12-15
Desde que Maman obtuvo por primera vez una salida de pulso láser en 1960, el proceso de compresión humana del ancho del pulso láser se puede dividir aproximadamente en tres etapas: etapa de tecnología de conmutación Q, etapa de tecnología de bloqueo de modo y etapa de tecnología de amplificación de pulso chirrido. La amplificación de pulso chirrido (CPA) es una nueva tecnología desarrollada para superar el efecto de autoenfoque generado por los materiales láser de estado sólido durante la amplificación láser de femtosegundos. Primero proporciona pulsos ultracortos generados por láseres de modo bloqueado. "Chirp positivo", expanda el ancho del pulso a picosegundos o incluso nanosegundos para la amplificación, y luego use el método de compensación de chirp (chirp negativo) para comprimir el ancho del pulso después de obtener suficiente amplificación de energía. El desarrollo de los láseres de femtosegundo es de gran importancia.
Antes de 1990,láser de femtosegundolos pulsos se habían obtenido utilizando tecnología de bloqueo de modo de láser de colorante con amplio ancho de banda de ganancia. Sin embargo, el mantenimiento y manejo del láser de colorante es extremadamente complicado, lo que limita su aplicación. Con la mejora de la calidad de los cristales de Ti:Zafiro, también se pueden utilizar cristales más cortos para obtener ganancias lo suficientemente altas para lograr una oscilación de pulso corto. En 1991, Spence et al. desarrolló un láser de femtosegundo Ti:Sapphire autobloqueado por primera vez. El desarrollo exitoso de un láser de femtosegundo Ti:Sapphire de ancho de pulso de 60fs promovió en gran medida la aplicación y el desarrollo de láseres de femtosegundo. En 1994, el uso de tecnología de amplificación de pulso chirrido para obtener pulsos láser de menos de 10fs, actualmente con la ayuda de la tecnología de bloqueo de modo automático de lentes Kerr, tecnología de amplificación de pulso chirrido paramétrico óptico, tecnología de vaciado de cavidad, tecnología de amplificación multipaso, etc. puede hacer láser El ancho del pulso se comprime a menos de 1fs para ingresar al dominio de attosegundos, y la potencia máxima del pulso láser también aumenta de teravatios (1TW = 10 ^ 12 W) a petavatios (1PW = 10 ^ 15 W). Estos importantes avances en la tecnología láser han provocado cambios extensos y profundos en muchos campos.
En el campo de la física, el campo electromagnético de ultra alta intensidad generado por el láser de femtosegundo puede generar neutrones relativistas y también puede manipular directamente átomos y moléculas. En un dispositivo láser de fusión nuclear de escritorio, se utiliza un pulso de láser de femtosegundo para irradiar grupos moleculares de deuterio-tritio. Puede iniciar una reacción de fusión nuclear y producir una gran cantidad de neutrones. Cuando el láser de femtosegundo interactúa con el agua, puede hacer que el deuterio, isótopo de hidrógeno, experimente una reacción de fusión nuclear, generando enormes cantidades de energía. El uso de láseres de femtosegundo para controlar la fusión nuclear puede obtener energía de fusión nuclear controlable. En el Laboratorio de Física del Universo, el plasma de alta densidad de energía generado por pulsos de luz de ultra alta intensidad de láseres de femtosegundos puede reproducir los fenómenos internos de la Vía Láctea y las estrellas en el suelo. El método de resolución de tiempo de femtosegundos puede observar claramente los cambios de las moléculas colocadas en el nanoespacio y sus estados electrónicos internos en la escala de tiempo de femtosegundos.
En el campo de la biomedicina, debido a la alta potencia máxima y la densidad de potencia de los láseres de femtosegundo, a menudo se producen varios efectos no lineales, como la ionización multifotónica y los efectos de autoenfoque, al interactuar con diversos materiales. Al mismo tiempo, el tiempo de interacción entre el láser de femtosegundo y los tejidos biológicos es insignificante en comparación con el tiempo de relajación térmica de los tejidos biológicos (del orden de ns). Para los tejidos biológicos, un aumento de temperatura de unos pocos grados se convertirá en una onda de presión para los nervios. Las células producen dolor y daño por calor a las células, por lo que el láser de femtosegundo puede lograr un tratamiento sin dolor y sin calor. El láser de femtosegundo tiene las ventajas de baja energía, daño pequeño, alta precisión y posicionamiento estricto en el espacio tridimensional, lo que puede satisfacer las necesidades especiales del campo biomédico en la mayor medida. El láser de femtosegundo se utiliza para tratar dientes para obtener canales limpios y ordenados sin dañar los bordes, evitando la influencia del estrés mecánico y térmico causado por láseres de pulso largo (como Er:YAG), calcificación, grietas y superficies rugosas. Cuando el láser de femtosegundo se aplica al corte fino de tejidos biológicos, la luminiscencia del plasma durante la interacción del láser de femtosegundo con tejidos biológicos se puede analizar por espectro, y se puede identificar tejido óseo y cartílago, para determinar y controlar qué se necesita en el proceso de tratamiento quirúrgico Energía de pulso. Esta técnica es de gran importancia para la cirugía de los nervios y la columna vertebral. El láser de femtosegundo con un rango de longitud de onda de 630-1053nm puede realizar cortes y ablaciones quirúrgicas no térmicas seguras, limpias y de alta precisión del tejido cerebral humano. Un láser de femtosegundo con una longitud de onda de 1060nm, un ancho de pulso de 800fs, una frecuencia de repetición de pulso de 2kHz y una energía de pulso de 40μJ puede realizar operaciones de corte corneal limpias y de alta precisión. El láser de femtosegundo tiene las características de ausencia de daño térmico, lo cual es de gran importancia para la revascularización miocárdica con láser y la angioplastia con láser. En 2002, el Centro Láser de Hannover en Alemania usó un láser de femtosegundo para completar la producción revolucionaria de la estructura del stent vascular en un nuevo material polimérico. En comparación con el stent de acero inoxidable anterior, este stent vascular tiene buena biocompatibilidad y compatibilidad biológica. La degradabilidad es de gran importancia para el tratamiento de la enfermedad cardíaca coronaria. En pruebas clínicas y bioensayos, la tecnología láser de femtosegundo puede cortar automáticamente los tejidos biológicos de los organismos a nivel microscópico y obtener imágenes tridimensionales de alta definición. Esta tecnología es de gran importancia para el diagnóstico y tratamiento del cáncer y el estudio de 368 mutaciones genéticas animales.
En el campo de la ingeniería genética. En 2001, K.Konig de Alemania utilizó Ti:Sapphireláser de femtosegundopara realizar operaciones a nanoescala en ADN humano (cromosomas) (ancho mínimo de corte 100nm). En 2002, U.irlapur y Koing utilizaron unláser de femtosegundopara hacer un microporo reversible en la membrana de la célula cancerosa y luego permitir que el ADN ingrese a la célula a través de este orificio. Más tarde, el propio crecimiento de la célula cerró el agujero, logrando así con éxito la transferencia de genes. Esta técnica tiene las ventajas de una alta fiabilidad y un buen efecto de trasplante, y es de gran importancia para el trasplante de material genético extraño en varias células, incluidas las células madre. En el campo de la ingeniería celular, los láseres de femtosegundo se utilizan para lograr operaciones de nanocirugía en células vivas sin dañar la membrana celular. Estas técnicas de operación con láser de femtosegundo tienen un significado positivo para la investigación de la terapia génica, la dinámica celular, la polaridad celular, la resistencia a los medicamentos y los diferentes componentes de las células y la estructura heterogénea subcelular.
En el campo de la comunicación por fibra óptica, el tiempo de respuesta de los materiales de dispositivos optoelectrónicos semiconductores es el "cuello de botella" que restringe la comunicación por fibra óptica de velocidad supercomercial. La aplicación de la tecnología de control coherente de femtosegundos hace que la velocidad de los interruptores ópticos de semiconductores alcance los 10000 Gbit/s, lo que finalmente puede alcanzar el límite teórico de la mecánica cuántica. . Además, la tecnología de forma de onda de Fourier de pulsos láser de femtosegundos se aplica a comunicaciones ópticas de gran capacidad, como multiplexación por división de tiempo, multiplexación por división de longitud de onda y acceso múltiple por división de código, y se puede obtener una velocidad de transmisión de datos de 1 Tbit/s.
En el campo del procesamiento ultrafino, el fuerte efecto de autoenfoque deláser de femtosegundoLos pulsos en medios transparentes hacen que el punto focal del láser sea más pequeño que el límite de difracción, lo que provoca microexplosiones dentro del material transparente para formar píxeles estereoscópicos con diámetros submicrónicos. Con este método, se puede realizar un almacenamiento óptico tridimensional de alta densidad y la densidad de almacenamiento puede alcanzar los 10^12 bits/cm3. Y puede realizar una lectura rápida de datos, escritura y acceso aleatorio de datos paralelos. La diafonía entre capas de bits de datos adyacentes es muy pequeña, y la tecnología de almacenamiento tridimensional se ha convertido en una nueva dirección de investigación en el desarrollo de la tecnología de almacenamiento masivo actual. Las guías de ondas ópticas, los divisores de haz, los acopladores, etc. son los componentes ópticos básicos de la óptica integrada. Usando láseres de femtosegundos en una plataforma de procesamiento controlada por computadora, se pueden fabricar guías de ondas ópticas bidimensionales y tridimensionales de cualquier forma en cualquier posición dentro del material. , Divisor de haz, acoplador y otros dispositivos fotónicos, y se pueden acoplar con fibra óptica estándar, usando láser de femtosegundo también se puede hacer un microespejo de 45 ° dentro del vidrio fotosensible, y ahora se ha producido un circuito óptico compuesto por 3 microespejos internos , Puede hacer que el haz gire 270° en el área de 4 mm x 5 mm. Más científicamente, los científicos en los Estados Unidos han utilizado recientemente láseres de femtosegundo para crear una guía de onda óptica de ganancia de 1 cm de largo, que puede generar una ganancia de señal de 3 dB/cm cerca de 1062 nm.
La red de Bragg de fibra tiene características de selección de frecuencia efectivas, es fácil de acoplar con el sistema de comunicación de fibra y tiene pocas pérdidas. Por lo tanto, exhibe ricas características de transmisión en el dominio de la frecuencia y se ha convertido en un punto de acceso para la investigación de dispositivos de fibra óptica. En 2000, Kawamora K et al. usó dos interferometría láser de femtosegundos infrarrojos para obtener rejillas holográficas de relieve superficial por primera vez. Más tarde, con el desarrollo de la tecnología y la tecnología de producción, en 2003 Mihaiby. S et al. utilizó pulsos de láser de femtosegundos de Ti:zafiro combinados con placas de fase de orden cero para obtener rejillas reflectantes de Bragg en el núcleo de las fibras de comunicación. Tiene un alto rango de modulación de índice de refracción y buena estabilidad de temperatura.
El cristal fotónico es una estructura dieléctrica con modulación periódica del índice de refracción en el espacio, y su período de cambio es del mismo orden de magnitud que la longitud de onda de la luz. El dispositivo de cristal fotónico es un dispositivo completamente nuevo que controla la propagación de fotones y se ha convertido en un centro de investigación en el campo de la fotónica. En 2001, Sun H B et al. usó láseres de femtosegundo para fabricar cristales fotónicos con redes arbitrarias en vidrio de sílice dopado con germanio, que pueden seleccionar individualmente átomos individuales. En 2003, Serbin J et al. usó láser de femtosegundo para inducir la polimerización de dos fotones de materiales híbridos inorgánicos y orgánicos para obtener microestructuras tridimensionales y cristales fotónicos con un tamaño de estructura de menos de 200 nm y un período de 450 nm.
Los láseres de femtosegundo han logrado resultados revolucionarios en el campo del procesamiento de dispositivos microfotónicos, de modo que los conectores direccionales, los filtros de paso de banda, los multiplexores, los interruptores ópticos, los convertidores de longitud de onda y los moduladores se pueden procesar en un "chip". Son posibles bucles de ondas de luz planas con otros componentes. Sentó las bases para que los dispositivos fotónicos reemplacen a los dispositivos electrónicos.
La tecnología de fotomáscara y litografía es una tecnología clave en el campo de la microelectrónica, que está directamente relacionada con la calidad y la eficiencia de producción de los productos de circuitos integrados. Los láseres de femtosegundo se pueden usar para reparar los defectos de la fotomáscara, y el ancho de la línea reparada puede alcanzar una precisión de menos de 100 nm. losláser de femtosegundoLa tecnología de escritura directa se puede utilizar para fabricar de forma rápida y eficaz fotomáscaras de alta calidad. Estos resultados son muy importantes para micro El desarrollo de la tecnología electrónica es de gran importancia.