Fitur Unik Laser Ultracepat
Durasi pulsa ultra-pendek dari laser ultracepat memberikan karakteristik unik pada sistem ini yang membedakannya dari laser pulsa panjang atau gelombang kontinu (CW). Untuk menghasilkan pulsa pendek seperti itu, diperlukan bandwidth spektral yang lebar. Bentuk pulsa dan panjang gelombang pusat menentukan bandwidth minimum yang diperlukan untuk menghasilkan pulsa dengan durasi tertentu. Biasanya, hubungan ini digambarkan dengan produk bandwidth waktu (TBP), yang diturunkan dari prinsip ketidakpastian. TBP dari pulsa terdistribusi Gaussian diberikan oleh.
TPBGaussian{{0}}ΔτΔν≈0.441
Δτ adalah durasi pulsa dan Δv adalah bandwidth frekuensi. Pada dasarnya, persamaan tersebut menunjukkan bahwa terdapat hubungan terbalik antara bandwidth spektral dan durasi pulsa, yang berarti bahwa seiring dengan berkurangnya durasi pulsa, bandwidth yang diperlukan untuk menghasilkan pulsa tersebut meningkat. Gambar 1 mengilustrasikan bandwidth minimum yang diperlukan untuk mendukung beberapa durasi pulsa yang berbeda.
Gambar 1: Bandwidth spektral minimum yang diperlukan untuk mendukung pulsa laser 10 ps (hijau), 500 fs (biru), dan 50 fs (merah)
Gambar 2: Penggambaran Pavg daya rata-rata dan Ppeak daya puncak untuk laser dengan durasi pulsa t
Tantangan teknis laser ultracepat
Bandwidth spektral yang lebar, daya puncak yang tinggi, dan durasi pulsa pendek dari laser ultracepat harus dikelola dengan baik di sistem Anda. Seringkali, salah satu tantangan yang paling mudah untuk diatasi adalah keluaran laser berspektrum luas. Jika Anda sebelumnya pernah menggunakan laser gelombang berdenyut atau kontinu yang lebih panjang, inventaris optik Anda yang ada mungkin tidak mampu memantulkan atau mentransmisikan bandwidth pulsa ultracepat secara penuh.
Ambang Batas Kerusakan Laser
Optik ultracepat juga memiliki ambang kerusakan laser (LDT) yang sangat berbeda dan lebih sulit dinavigasi dibandingkan sumber laser tradisional (Gambar 3). Saat menyediakan optik untuk laser berdenyut nanodetik, nilai LDT biasanya berada pada urutan 5-10 J/cm2. Untuk optik ultracepat, nilai sebesar ini praktis tidak pernah terdengar, karena nilai LDT cenderung berada pada urutan<1 J/cm2, usually closer to 0.3 J/cm2.
Variasi amplitudo LDT yang signifikan untuk durasi pulsa yang berbeda merupakan konsekuensi dari mekanisme kerusakan laser berdasarkan durasi pulsa. Untuk laser nanodetik atau laser yang berdenyut lebih panjang, mekanisme utama yang menyebabkan kerusakan adalah pemanasan termal. Bahan pelapis dan substrat optik menyerap foton yang datang dan memanas. Hal ini dapat menyebabkan distorsi kisi material. Efek seperti ekspansi termal, retak, peleburan, dan regangan kisi adalah mekanisme kerusakan termal yang umum untuk jenis sumber laser ini.
Gambar 3: Kerusakan laser pada permukaan optik, seperti yang ditunjukkan di sini, dapat menurunkan kinerja sistem laser, menjadikannya tidak berguna atau bahkan berbahaya. Karena durasi pulsa yang pendek, mekanisme kerusakan saat menggunakan laser ultracepat sangat berbeda dengan saat menggunakan laser dengan pulsa yang lebih panjang.
Namun, dengan laser ultracepat, durasi pulsa itu sendiri lebih cepat daripada skala waktu perpindahan panas dari laser ke kisi material, dan oleh karena itu efek termal bukanlah penyebab utama kerusakan akibat laser (Gambar 4). Sebaliknya, kekuatan puncak laser ultracepat mengubah mekanisme kerusakan menjadi proses nonlinier seperti penyerapan multifoton dan ionisasi. Inilah sebabnya mengapa tidak mungkin untuk sekadar menurunkan peringkat LDT dari pulsa nanodetik ke pulsa ultracepat, karena mekanisme fisik kerusakannya berbeda. Oleh karena itu, dalam kondisi penggunaan yang sama (misalnya panjang gelombang, durasi pulsa, dan frekuensi pengulangan), optik dengan peringkat LDT yang cukup tinggi akan menjadi optik terbaik untuk aplikasi khusus Anda. Optik yang diuji dalam kondisi berbeda tidak mewakili kinerja aktual optik yang sama dalam suatu sistem.
Gambar 4: Mekanisme kerusakan akibat laser untuk durasi pulsa berbeda
Dispersi dan Ekstensi Pulsa: Dispersi Penundaan Grup
Salah satu tantangan teknis tersulit yang dihadapi saat menggunakan laser ultracepat adalah mempertahankan durasi pulsa ultrapendek yang awalnya dipancarkan oleh laser. Pulsa ultracepat sangat rentan terhadap penyimpangan waktu sehingga membuat pulsa menjadi lebih panjang. Efek ini menjadi lebih buruk seiring dengan memendeknya durasi denyut awal. Meskipun laser ultracepat dapat memancarkan pulsa dengan durasi 50 detik, pulsa dapat diperluas seiring waktu dengan menggunakan cermin dan lensa untuk mengirimkan pulsa ke lokasi target, atau bahkan hanya mengirimkan pulsa melalui udara.
Distorsi waktu ini diukur menggunakan metrik yang disebut dispersi penundaan grup (GDD), juga dikenal sebagai dispersi orde kedua. Faktanya, ada juga istilah dispersi tingkat tinggi yang dapat mempengaruhi distribusi temporal pulsa laser ultracepat, namun dalam praktiknya biasanya cukup untuk menguji efek GDD. GDD adalah nilai yang bergantung pada frekuensi yang berskala linier dengan ketebalan material tertentu. Optik transmisi seperti lensa, jendela, dan rakitan lensa objektif biasanya memiliki nilai GDD positif, yang menunjukkan bahwa setelah pulsa dikompresi dapat memberikan durasi pulsa optik transmisi lebih lama daripada pulsa yang dipancarkan oleh sistem laser. Komponen berfrekuensi lebih rendah (misalnya panjang gelombang lebih panjang) merambat lebih cepat dibandingkan komponen berfrekuensi lebih tinggi (misalnya panjang gelombang lebih pendek). Saat pulsa bergerak melalui lebih banyak materi, panjang gelombang dalam pulsa akan terus memanjang semakin jauh seiring berjalannya waktu. Untuk durasi pulsa yang lebih pendek, dan oleh karena itu bandwidth yang lebih lebar, efek ini semakin dibesar-besarkan dan dapat menyebabkan distorsi waktu pulsa yang signifikan.
Untuk pulsa yang lebih panjang dengan durasi pulsa nanodetik atau bahkan pikodetik, GDD bukanlah masalah besar. Namun, untuk pulsa femtodetik yang lebih pendek, bahkan menempatkan sepotong N-BK7 setebal 10 mm di jalur pancaran dapat memperluas pulsa 50 fs yang berpusat pada 800 nm sebanyak lebih dari 12%, yang kira-kira setara dengan menempatkan dua jendela atau filter di jalur balok.
Dampak GDD pada aplikasi bergantung pada beberapa faktor, termasuk durasi pulsa masukan (τinput), frekuensi pusat (atau panjang gelombang), dan material yang dilalui pulsa.
Persamaan (2) dengan jelas menunjukkan bahwa untuk nilai GDD yang sama, durasi pulsa yang lebih pendek akan melebar lebih signifikan dibandingkan dengan durasi pulsa input yang lebih panjang. Inilah sebabnya mengapa GDD tidak dibahas dalam konteks pulsa nanodetik atau pikodetik. Misalnya, GDD hanya 20,000 fs2 dapat memperlebar pulsa 1ps sebesar 0,2%. Contoh dalam paragraf berikut menunjukkan bahwa ini setara dengan menyebarkan pulsa 1030 nm menjadi lebih dari 1 m silika leburan.
Indeks bias suatu bahan bergantung pada frekuensi cahaya yang melewatinya, dan GDD memiliki ketergantungan serupa pada indeks bias. Saat memilih optik transmisi dan refraksi untuk sistem ultracepat, silika leburan sering kali direkomendasikan karena memiliki salah satu nilai GDD terendah dalam rentang panjang gelombang tampak dan inframerah dekat. Misalnya, menyebarkan pulsa 1030 nm melalui 1 mm silika leburan akan menghasilkan GDD sekitar 19 fs2, tetapi pada panjang gelombang yang sama, 1 mm SF11 akan menghasilkan GDD lebih dari 125 fs2 Database indeks bias, seperti refraksivendex .info, adalah sumber daya yang berguna untuk menentukan material mana yang merupakan optik terbaik untuk digunakan dalam pilihan jalur pancaran, dan akumulasi GDD Anda adalah sumber daya yang berguna.
Karena tren GDD positif dan pembengkokan waktu, sangat disarankan untuk menggunakan optik ultracepat khusus yang menghasilkan sedikit atau tanpa GDD tambahan, sehingga mengurangi peluang durasi pulsa yang diperpanjang.
Bagaimana Anda tahu jika Anda memerlukan kompresi pulsa?
Kapan Anda perlu (kembali) mengompres pulsa laser? Dalam aplikasi pencitraan ultracepat seperti mikroskop multifoton, gambar buram menunjukkan bahwa denyut nadi mungkin meregang seiring berjalannya waktu. Dalam pemrosesan laser ultracepat, peregangan pulsa dapat menyebabkan berkurangnya akurasi dan presisi pemotongan. Durasi pulsa yang diperpanjang mengurangi kemungkinan interaksi multifoton, sehingga mengurangi efisiensi sistem ultracepat. Meskipun tidak mungkin memberikan aturan yang ketat dan cepat untuk setiap situasi, contoh perhitungan berikut membantu menunjukkan beberapa praktik terbaik untuk menentukan apakah kompresi pulsa diperlukan.
Pertimbangkan pengaturan mikroskop multifoton dengan jalur berkas seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5.
Gambar 5: Contoh skema jalur berkas dalam percobaan mikroskop multifoton
Perkiraan ekspansi pulsa orde pertama dapat diperoleh dengan menjumlahkan kontribusi GDD dari semua elemen dalam sistem sebelum laser mencapai sampel. Mari kita asumsikan bahwa kontributor utama dispersi adalah beam expander, filter dichroic, dan tujuan pemfokusan. Kami akan mengabaikan efek cermin pemindai karena biasanya terbuat dari lapisan logam GDD rendah. Jika pulsa dipusatkan pada panjang gelombang 1030 nm, sistem dapat dengan mudah menambahkan lebih dari 600 fs2 GDD.
Perlu atau tidaknya pulsa dalam sistem dikompresi tergantung pada durasi pulsa masukan dan kebutuhan spesifik aplikasi. Jika Anda memulai dengan pulsa 150fs, transmisi melalui optik akan memiliki pengaruh yang dapat diabaikan pada durasi pulsa. Namun, jika aplikasi Anda memerlukan resolusi temporal yang hanya dapat dicapai dengan pulsa laser 10 fs, maka jumlah GDD ini akan menyebabkan pulsa awal Anda meningkat hingga sekitar 167 fs. Dalam hal ini, diperlukan kompresi ulang. Detail presisi ini sangat bergantung pada jalur pancaran dan aplikasi khusus Anda.
Aplikasi Laser Ultracepat
Spektroskopi
Spektroskopi telah menjadi salah satu bidang aplikasi utama sumber cahaya laser ultracepat sejak diperkenalkan. Dengan mengurangi durasi pulsa menjadi femtodetik atau bahkan attodetik, proses dinamis dalam fisika, kimia, dan biologi yang sebelumnya tidak mungkin diamati kini menjadi mungkin. Salah satu proses utamanya adalah gerak atom, pengamatan yang telah meningkatkan pemahaman ilmiah tentang proses mendasar seperti getaran molekul, disosiasi molekul, dan transfer energi dalam protein fotosintetik.
Pencitraan biologis
Laser ultracepat dengan daya puncak tinggi mendukung proses nonlinier dan meningkatkan resolusi untuk bioimaging, seperti mikroskop multifoton (Gbr. 12). Dalam sistem multifoton, dua foton harus tumpang tindih dalam ruang dan waktu untuk menghasilkan sinyal nonlinier dari media biologis atau target fluoresen. Mekanisme nonlinier ini meningkatkan resolusi pencitraan dengan secara signifikan mengurangi sinyal fluoresensi latar belakang yang mengganggu studi proses foton tunggal. Gambar 13 mengilustrasikan latar belakang sinyal yang disederhanakan ini. Daerah eksitasi yang lebih kecil pada mikroskop multifoton juga mencegah fototoksisitas dan meminimalkan kerusakan pada sampel.
Gambar 6: Mikroskop multifoton atau nonlinier menggunakan sumber laser ultracepat untuk menangkap gambar tiga dimensi (3D) resolusi tinggi dengan pengurangan photobleaching dan fototoksisitas dibandingkan dengan teknik mikroskop confocal konvensional.
Gambar 7: Penggambaran posisi sinyal sistem mikroskop dua foton dua foton (atas) dan foton tunggal (bawah). Tumpang tindih yang dihasilkan oleh dua foton menghasilkan volume eksitasi yang lebih kecil, sedangkan sinyal foton tunggal dipengaruhi oleh sinyal latar belakang dari luar bidang fokus.
Pemrosesan bahan laser
Sumber laser ultracepat juga telah merevolusi pemesinan mikro laser dan pemrosesan material karena cara unik pulsa ultrashort berinteraksi dengan material. Seperti disebutkan sebelumnya, ketika membahas LDT, durasi pulsa ultracepat lebih cepat daripada skala waktu difusi termal ke dalam kisi material. Laser ultracepat menghasilkan zona yang terkena dampak panas jauh lebih kecil dibandingkan laser berdenyut nanodetik, sehingga menghasilkan garitan yang lebih rendah dan pemrosesan yang lebih presisi. Prinsip ini juga berlaku untuk aplikasi medis, dimana peningkatan presisi pemotongan laser ultracepat membantu meminimalkan kerusakan pada jaringan di sekitarnya dan meningkatkan pengalaman pasien selama operasi laser.
Pulsa Attosecond: masa depan laser ultracepat
Seiring dengan berlanjutnya penelitian untuk memajukan laser ultracepat, sumber cahaya baru dan lebih baik dengan durasi pulsa lebih pendek sedang dikembangkan. Untuk mendapatkan wawasan tentang proses fisik yang lebih cepat, banyak peneliti berfokus pada pembangkitan pulsa attodetik - dalam rentang panjang gelombang ultraviolet (XUV) yang ekstrem, pulsa attodetik berkekuatan sekitar 10-18 s. Pulsa Attosecond memungkinkan pelacakan pergerakan elektron dan meningkatkan pemahaman kita tentang struktur elektronik dan mekanika kuantum. Meskipun integrasi laser attodetik XUV ke dalam proses industri belum mendapatkan daya tarik yang signifikan, penelitian dan kemajuan yang sedang berlangsung di bidang ini hampir pasti akan mendorong teknologi ini keluar dari laboratorium dan masuk ke bidang manufaktur, seperti yang terjadi pada sumber laser femtodetik dan pikodetik.
