Forskere afslører den nyeste femtosekundlaser

Vil du gerne fange en kemisk transformation inde i en celle live? Eller måske revolutionere mikrochips produktion ved at udskrive stier i et lag, der har en tykkelse på kun 100 nanometer? Disse og mange andre mål kan nu nås med den nyeste femtosekundlaser skabt af et team af forskere under ledelse af Dr. Yuriy Stepanenko.

Disse dage, der er et væld af laserlyskilder. De har hver deres egenskaber og forskellige anvendelser, såsom at observere stjerner, behandling af sygdomme, og overflade mikrobearbejdning. ”Vores mål er at udvikle nye, "siger Yuriy Stepanenko, leder af teamet for Ultrafast Laser Techniques ved Institute of Physical Chemistry ved det polske videnskabsakademi. "Vi beskæftiger os med kilder, der producerer ultrakorte lysimpulser. Virkelig meget, meget korte femtosekundspulser (det er en del af et sekund med 15 nuller efter decimalpunktet). Dette er skalaen, som for eksempel, intracellulære kemiske reaktioner finder sted. For at se dem, vi skal "tage et foto" på denne meget korte tid. Og takket være den nye laser, vi kan netop det.

"Vi kan også bruge vores kilde til meget præcis fjernelse af materialer fra forskellige overflader uden at ødelægge dem, "siger videnskabsmanden." Vi kunne, for eksempel, rengør Mona Lisa ved hjælp af denne metode uden at beskadige lagene af maling. Vi ville kun fjerne støv og snavs, et lag på cirka 10 nanometer tykt, "forklarer Dr. Stepanenko, en af ​​forfatterne til en undersøgelse, der for nylig blev offentliggjort i Journal of Lightwave Technology.

"Men til denne slags job, vores laser er endda temmelig for præcis, "bemærker Dr. Bernard Piechal, medforfatter til publikationen. "For det, du har kun brug for nanosekundpulser, dvs. pulser, der varer tusind gange længere. Det sidste, imidlertid, ville ikke kunne, for eksempel, tegne stier med præcist planlagte dybder i ultratynde materialer, f.eks. fjernelse af guld sprøjtet på mikrochips med en præcis justering af tykkelsen af ​​det lag, der fjernes. Men vores laser kan dette! Det kan også lave huller i hærdet glas eller ultratynde siliciumplader. Under disse forhold, en nanosekundlaser ville enten smelte silicium eller 'smadre' glasset, fordi det producerer for meget varme. For meget energi er koncentreret lokalt i et meget lille område. Vores fungerer fast, men forsigtigt, "griner Dr. Stepanenko.

Hvordan blev denne effekt opnået?

"Vi ville have vores kilde til at opfylde to betingelser:den skulle i mindst muligt omfang være modtagelig for mekaniske forstyrrelser, og det skulle være mobil, "forklarer Dr. Piechal." Vi ønskede ikke at skabe et stort, stationær struktur. "

Fiberoptiske lasere kom teamet til undsætning. "Denne slags laser er dybest set en optisk fiber indesluttet i en ring. Laserpulsen løber inde i den uden at blive udsat for mekaniske forstyrrelser. Den optiske fiber kan berøres, flyttede, endda rystet uden at gå på kompromis med pulsens stabilitet. Selvfølgelig, hvis lyset kun løb rundt i en cirkel som denne, det ville være ubrugeligt, så en del af denne impuls rettes uden for sløjfen ét sted i form af nyttige blink, "forklarer Dr. Stepanenko.

Her kommer vi til en anden vigtig parameter for denne slags pulserende laser:frekvensen, hvormed pulserne vises ved udgangen. I konventionelle designs, denne frekvens afhænger af længden af ​​den fiberoptiske sløjfe, hvor pulsen bevæger sig. Dens praktiske længde er flere dusin meter. Hvilket er ret meget, er det ikke? Hvad hvis vi ønskede, at lysglimt skulle vises så ofte som muligt? Dette kan gøres ved at reducere omkredsen af ​​ringen, hvorigennem pulsen bevæger sig. Kun at denne form for handling har sine grænser. "I vores lasere, den mindste sløjfe giver pulser hvert 60 nanosekund, som stadig er for langsom til vores ønsker, "forklarer forskeren. Hvordan kan denne frekvens fremskyndes? Det er her, den nye opfindelse af teamet fra IPC PAS kommer ind:et system, der gør det muligt at kopiere grundfrekvensen, som om der skabes harmoniske frekvenser på grundfrekvensen for en guitar snor.

"Vi bruger såkaldt Harmonic Mode Locking, "forklarer Dr. Stepanenko." Det innovative i vores design er, at vi er i stand til at skifte denne gentagelseshastighed på en kontrolleret måde og kun vælge en af ​​de mulige harmoniske, den særlige vi har brug for. Du kan sige, at vi er som en guitarist- på en åben streng, dvs. vores loop af fiberen, vi får en bestemt frekvens som følge af dens længde. Når vi sætter vores finger nøjagtigt midt på snoren, får vi den såkaldte anden harmoniske. Stigningen øges med en oktav, og vibrationsfrekvensen fordobles. Hvis vi sætter vores finger på 1/3 af strengens længde, vi får en frekvens svarende til tre gange højere end på den åbne streng. I vores tilfælde, vi øger pulsenes frekvens ved at dreje på knappen. Vi kan kun gøre det i trin, hver gang får en anden harmonisk, ligesom harmonikken i guitaren ændres i trin, men rækkevidden er ret stor:vi kan ændre vores lysharmonika fra 2 til 19 gange over grundfrekvensen, dvs. nå en impulsfrekvens op til lidt over 300 MHz.

Det er ekstremt vigtigt, at de opnåede frekvenser er stabile og præcist kan skelnes. Hvis vi vælger en harmonisk, alle de andre vil være så dæmpet, at deres "volumen" vil være cirka 10 millioner gange lavere end den valgte. Du kan sige, at vi genererer en ren lyd og fjerner al baggrundsstøj. Ud over, jo højere frekvens, jo bedre er det defineret. "Vi er de første, der har formået at gøre det så godt, «siger forskeren stolt.

Det er overladt til os at vente på, at opfindelsen skal implementeres i mere industrielle applikationer. Måske vil det betyde endnu tyndere og lettere bærbare computere for os eller bedre viden om, hvad der sker inde i menneskekroppen.