अल्ट्राफास्ट लेजर की अनूठी विशेषताएं
अल्ट्राफास्ट लेजर की अल्ट्रा-शॉर्ट पल्स अवधि इन प्रणालियों को अद्वितीय विशेषताएं प्रदान करती है जो उन्हें लंबी पल्स या निरंतर तरंग (सीडब्ल्यू) लेजर से अलग करती है। ऐसी छोटी दालों को उत्पन्न करने के लिए, एक विस्तृत वर्णक्रमीय बैंडविड्थ की आवश्यकता होती है। पल्स आकार और केंद्र तरंग दैर्ध्य एक विशिष्ट अवधि की पल्स उत्पन्न करने के लिए आवश्यक न्यूनतम बैंडविड्थ निर्धारित करते हैं। आमतौर पर, इस रिश्ते को टाइम बैंडविड्थ उत्पाद (टीबीपी) द्वारा वर्णित किया जाता है, जो अनिश्चितता सिद्धांत से लिया गया है। गाऊसी वितरित पल्स का टीबीपी किसके द्वारा दिया जाता है?
TBPGaussian{{0}}ΔτΔν≈0.441
Δτ पल्स अवधि है और Δv आवृत्ति बैंडविड्थ है। अनिवार्य रूप से, समीकरण से पता चलता है कि वर्णक्रमीय बैंडविड्थ और पल्स अवधि के बीच एक व्युत्क्रम संबंध है, जिसका अर्थ है कि जैसे-जैसे पल्स अवधि घटती है, उस पल्स को उत्पन्न करने के लिए आवश्यक बैंडविड्थ बढ़ जाती है। चित्र 1 कई अलग-अलग पल्स अवधियों का समर्थन करने के लिए आवश्यक न्यूनतम बैंडविड्थ को दर्शाता है।
चित्र 1: 10 पीएस (हरा), 500 एफएस (नीला) और 50 एफएस (लाल) लेजर पल्स का समर्थन करने के लिए आवश्यक न्यूनतम वर्णक्रमीय बैंडविड्थ
चित्र 2: पल्स अवधि टी के साथ लेजर के लिए औसत पावर पावग और पीक पावर पीक का चित्रण
अल्ट्राफास्ट लेज़रों की तकनीकी चुनौतियाँ
आपके सिस्टम में अल्ट्राफास्ट लेजर की विस्तृत स्पेक्ट्रल बैंडविड्थ, उच्च शिखर शक्ति और छोटी पल्स अवधि को ठीक से प्रबंधित किया जाना चाहिए। अक्सर, इन चुनौतियों में से एक को संबोधित करना सबसे आसान है लेजर का व्यापक-स्पेक्ट्रम आउटपुट। यदि आपने अतीत में मुख्य रूप से लंबे समय तक स्पंदित या निरंतर तरंग लेजर का उपयोग किया है, तो प्रकाशिकी की आपकी मौजूदा सूची अल्ट्राफास्ट पल्स की पूरी बैंडविड्थ को प्रतिबिंबित या प्रसारित करने में सक्षम नहीं हो सकती है।
लेजर क्षति सीमा
अल्ट्राफास्ट ऑप्टिक्स में अधिक पारंपरिक लेजर स्रोतों (चित्रा 3) की तुलना में काफी अलग और नेविगेट करने में अधिक कठिन लेजर क्षति सीमा (एलडीटी) है। नैनोसेकंड स्पंदित लेज़रों के लिए प्रकाशिकी प्रदान करते समय, एलडीटी मान आमतौर पर 5-10 J/cm2 के क्रम पर होते हैं। अल्ट्राफास्ट ऑप्टिक्स के लिए, इस परिमाण के मान व्यावहारिक रूप से अनसुने हैं, क्योंकि एलडीटी मान के क्रम पर होने की अधिक संभावना है<1 J/cm2, usually closer to 0.3 J/cm2.
विभिन्न पल्स अवधियों के लिए एलडीटी आयाम में महत्वपूर्ण भिन्नता पल्स अवधि के आधार पर लेजर क्षति तंत्र का परिणाम है। नैनोसेकंड लेज़रों या लंबे समय तक स्पंदित लेज़रों के लिए, क्षति पहुंचाने वाला प्राथमिक तंत्र थर्मल हीटिंग है। प्रकाशिकी की कोटिंग और सब्सट्रेट सामग्री आपतित फोटॉनों को अवशोषित करती है और गर्म हो जाती है। इससे सामग्री जाली में विकृति आ सकती है। थर्मल विस्तार, क्रैकिंग, पिघलने और जाली तनाव जैसे प्रभाव इस प्रकार के लेजर स्रोतों के लिए सामान्य थर्मल क्षति तंत्र हैं।
चित्र 3: ऑप्टिकल सतहों पर लेजर क्षति, जैसा कि यहां दिखाया गया है, लेजर सिस्टम के प्रदर्शन को ख़राब कर सकता है, जिससे यह बेकार या खतरनाक भी हो सकता है। छोटी पल्स अवधि के कारण, अल्ट्राफास्ट लेजर का उपयोग करते समय क्षति तंत्र लंबी-पल्स लेजर का उपयोग करते समय काफी भिन्न होते हैं।
हालाँकि, अल्ट्राफास्ट लेजर के साथ, पल्स अवधि स्वयं लेजर से सामग्री जाली तक गर्मी हस्तांतरण के समय के पैमाने से तेज होती है, और इसलिए थर्मल प्रभाव लेजर-प्रेरित क्षति का प्राथमिक कारण नहीं हैं (चित्रा 4)। इसके बजाय, अल्ट्राफास्ट लेजर की चरम शक्ति क्षति तंत्र को मल्टीफोटोन अवशोषण और आयनीकरण जैसी गैर-रेखीय प्रक्रियाओं में बदल देती है। यही कारण है कि नैनोसेकंड पल्स की एलडीटी रेटिंग को अल्ट्राफास्ट पल्स तक कम करना संभव नहीं है, क्योंकि क्षति के भौतिक तंत्र अलग-अलग होते हैं। इसलिए, उपयोग की समान शर्तों (उदाहरण के लिए, तरंग दैर्ध्य, पल्स अवधि और पुनरावृत्ति आवृत्ति) के तहत, पर्याप्त उच्च एलडीटी रेटिंग वाला एक ऑप्टिक आपके विशेष एप्लिकेशन के लिए सबसे अच्छा ऑप्टिक होगा। विभिन्न परिस्थितियों में परीक्षण किए गए ऑप्टिक्स किसी सिस्टम में समान ऑप्टिक्स के वास्तविक प्रदर्शन का प्रतिनिधित्व नहीं करते हैं।
चित्र 4: विभिन्न पल्स अवधियों के लिए लेजर-प्रेरित क्षति तंत्र
फैलाव और नाड़ी विस्तार: समूह विलंब फैलाव
अल्ट्राफास्ट लेजर का उपयोग करते समय सामने आने वाली सबसे कठिन तकनीकी चुनौतियों में से एक लेजर द्वारा शुरू में उत्सर्जित अल्ट्राशॉर्ट पल्स की अवधि को बनाए रखना है। अल्ट्राफास्ट पल्स समय विपथन के प्रति अतिसंवेदनशील होते हैं, जिससे पल्स लंबी हो जाती है। यह प्रभाव और भी बदतर हो जाता है क्योंकि प्रारंभिक नाड़ी की अवधि कम हो जाती है। जबकि अल्ट्राफास्ट लेजर 50 सेकंड की अवधि के साथ पल्स उत्सर्जित कर सकते हैं, पल्स को लक्ष्य स्थान तक पहुंचाने के लिए दर्पण और लेंस का उपयोग करके समय में पल्स का विस्तार करना संभव है, या यहां तक कि हवा के माध्यम से पल्स को प्रसारित करना भी संभव है।
इस बार विरूपण को समूह विलंब फैलाव (जीडीडी) नामक मीट्रिक का उपयोग करके निर्धारित किया जाता है, जिसे दूसरे क्रम के फैलाव के रूप में भी जाना जाता है। वास्तव में, उच्च-क्रम फैलाव शब्द भी हैं जो अल्ट्राफास्ट लेजर दालों के अस्थायी वितरण को प्रभावित कर सकते हैं, लेकिन व्यवहार में यह आमतौर पर जीडीडी के प्रभाव की जांच करने के लिए पर्याप्त है। जीडीडी एक आवृत्ति-निर्भर मान है जो किसी दी गई सामग्री की मोटाई के साथ रैखिक रूप से मापता है। लेंस, विंडो और ऑब्जेक्टिव लेंस असेंबलियों जैसे ट्रांसमिशन ऑप्टिक्स में आमतौर पर सकारात्मक जीडीडी मान होते हैं, जो दर्शाता है कि एक बार संपीड़ित होने पर पल्स ट्रांसमिशन ऑप्टिक्स को लेजर सिस्टम द्वारा उत्सर्जित पल्स की तुलना में लंबी पल्स अवधि दे सकता है। कम आवृत्ति (यानी, लंबी तरंग दैर्ध्य) घटक उच्च आवृत्ति (यानी, छोटी तरंग दैर्ध्य) घटकों की तुलना में तेजी से फैलते हैं। जैसे-जैसे नाड़ी अधिक से अधिक पदार्थ के माध्यम से यात्रा करती है, नाड़ी में तरंग दैर्ध्य समय के साथ और दूर तक बढ़ती रहेगी। छोटी पल्स अवधि और इसलिए व्यापक बैंडविड्थ के लिए, यह प्रभाव और भी अतिरंजित है और महत्वपूर्ण पल्स समय विरूपण का कारण बन सकता है।
नैनोसेकंड या यहां तक कि पिकोसेकंड पल्स अवधि के साथ लंबी पल्स के लिए, जीडीडी कोई बड़ा मुद्दा नहीं है। हालाँकि, छोटे फेमटोसेकंड पल्स के लिए, बीम पथ में एन-बीके7 का 10 मिमी मोटा टुकड़ा रखने से भी 800 एनएम पर केंद्रित 50 एफएस पल्स को 12% से अधिक बढ़ाया जा सकता है, जो मोटे तौर पर दो विंडो या फिल्टर रखने के बराबर है। किरण पथ.
किसी एप्लिकेशन पर जीडीडी का प्रभाव कई कारकों पर निर्भर करता है, जिसमें इनपुट पल्स अवधि (τइनपुट), केंद्र आवृत्ति (या तरंग दैर्ध्य), और वह सामग्री जिसके माध्यम से पल्स फैलती है।
समीकरण (2) स्पष्ट रूप से दर्शाता है कि जीडीडी के समान मूल्य के लिए, छोटी पल्स अवधि लंबी इनपुट पल्स अवधि की तुलना में अधिक महत्वपूर्ण रूप से विस्तारित होगी। यही कारण है कि नैनोसेकंड या पिकोसेकंड पल्स के संदर्भ में जीडीडी पर चर्चा नहीं की जाती है। उदाहरण के लिए, केवल 20,000 fs2 का GDD 1ps पल्स को 0.2% तक बढ़ा सकता है। निम्नलिखित पैराग्राफ के उदाहरण दिखाते हैं कि यह 1030 एनएम पल्स को 1 मीटर से अधिक फ़्यूज्ड सिलिका में फैलाने के बराबर है।
किसी सामग्री का अपवर्तक सूचकांक उसके माध्यम से यात्रा करने वाले प्रकाश की आवृत्ति पर निर्भर करता है, और जीडीडी की अपवर्तक सूचकांक पर समान निर्भरता होती है। अल्ट्राफास्ट सिस्टम के लिए ट्रांसमिशन और अपवर्तन ऑप्टिक्स का चयन करते समय, फ़्यूज्ड सिलिका की अक्सर सिफारिश की जाती है क्योंकि इसमें दृश्य और निकट-अवरक्त तरंग दैर्ध्य रेंज में सबसे कम जीडीडी मूल्यों में से एक है। उदाहरण के लिए, 1 मिमी फ़्यूज्ड सिलिका के माध्यम से 1030 एनएम पल्स को प्रसारित करने से लगभग 19 एफएस2 का जीडीडी उत्पन्न होगा, लेकिन उसी तरंग दैर्ध्य पर, 1 मिमी एसएफ11 के परिणामस्वरूप 125 एफएस2 से अधिक का जीडीडी होगा। अपवर्तक सूचकांक डेटाबेस, जैसे अपवर्तक सूचकांक .info, यह निर्धारित करने के लिए एक उपयोगी संसाधन है कि बीम पथों के चयन में उपयोग के लिए कौन सी सामग्री सर्वोत्तम प्रकाशिकी है, और आपका संचित GDD एक उपयोगी संसाधन है।
सकारात्मक जीडीडी और टाइम वॉरपिंग की इस प्रवृत्ति के कारण, विशेष अल्ट्राफास्ट ऑप्टिक्स का उपयोग करने की अत्यधिक अनुशंसा की जाती है जो बहुत कम या कोई अतिरिक्त जीडीडी उत्पन्न नहीं करते हैं, इस प्रकार विस्तारित पल्स अवधि के अवसर को कम करते हैं।
आपको कैसे पता चलेगा कि आपको पल्स संपीड़न की आवश्यकता है?
आपको लेज़र पल्स को पुनः संपीड़ित करने की आवश्यकता कब होती है? मल्टीफोटोन माइक्रोस्कोपी जैसे अल्ट्राफास्ट इमेजिंग अनुप्रयोगों में, धुंधली छवियां संकेत देती हैं कि नाड़ी समय के साथ खिंच सकती है। अल्ट्राफास्ट लेजर प्रसंस्करण में, पल्स स्ट्रेचिंग से काटने की सटीकता और परिशुद्धता कम हो सकती है। बढ़ी हुई पल्स अवधि मल्टीफोटोन इंटरैक्शन की संभावना को कम कर देती है, जिससे अल्ट्राफास्ट सिस्टम की दक्षता कम हो जाती है। हालांकि हर स्थिति के लिए सख्त और त्वरित नियम प्रदान करना संभव नहीं है, निम्नलिखित उदाहरण गणना यह निर्धारित करने के लिए कुछ सर्वोत्तम प्रथाओं को प्रदर्शित करने में मदद करती है कि पल्स संपीड़न की आवश्यकता है या नहीं।
जैसा कि चित्र 5 में दिखाया गया है, बीम पथ के साथ मल्टीफोटोन माइक्रोस्कोप सेटअप पर विचार करें।
चित्र 5: मल्टीफोटोन माइक्रोस्कोपी प्रयोग में बीम पथ का उदाहरण योजनाबद्ध
लेजर के नमूने तक पहुंचने से पहले सिस्टम में सभी तत्वों के जीडीडी योगदान को जोड़कर पल्स विस्तार का प्रथम-क्रम अनुमान प्राप्त किया जा सकता है। आइए मान लें कि फैलाव में मुख्य योगदानकर्ता बीम विस्तारक, डाइक्रोइक फिल्टर और फोकसिंग उद्देश्य हैं। हम स्कैनिंग दर्पणों के प्रभाव को नजरअंदाज कर देंगे क्योंकि वे आमतौर पर कम जीडीडी धातु कोटिंग्स से बने होते हैं। यदि पल्स 1030 एनएम की तरंग दैर्ध्य पर केंद्रित है, तो सिस्टम आसानी से 600 एफएस2 से अधिक जीडीडी जोड़ सकता है।
सिस्टम में पल्स को संपीड़ित करने की आवश्यकता है या नहीं, यह इनपुट पल्स अवधि और एप्लिकेशन की विशिष्ट आवश्यकताओं पर निर्भर करता है। यदि आप 150fs पल्स से शुरू करते हैं, तो प्रकाशिकी के माध्यम से संचरण का पल्स अवधि पर नगण्य प्रभाव पड़ेगा। हालाँकि, यदि आपके एप्लिकेशन को एक अस्थायी रिज़ॉल्यूशन की आवश्यकता होती है जिसे केवल 10 एफएस लेजर पल्स के साथ प्राप्त किया जा सकता है, तो जीडीडी की यह मात्रा आपके प्रारंभिक पल्स को लगभग 167 एफएस तक विस्तारित कर देगी। इस मामले में, पुनर्संपीड़न की आवश्यकता है. ये सटीक विवरण आपके विशेष बीम पथ और अनुप्रयोग पर अत्यधिक निर्भर हैं।
अल्ट्राफास्ट लेजर अनुप्रयोग
स्पेक्ट्रोस्कोपी
स्पेक्ट्रोस्कोपी अपने परिचय के बाद से अल्ट्राफास्ट लेजर प्रकाश स्रोतों के मुख्य अनुप्रयोग क्षेत्रों में से एक रही है। पल्स अवधि को फेमटोसेकंड या यहां तक कि एटोसेकंड तक कम करके, भौतिकी, रसायन विज्ञान और जीव विज्ञान में गतिशील प्रक्रियाएं जो ऐतिहासिक रूप से निरीक्षण करना असंभव थीं, अब संभव हैं। प्रमुख प्रक्रियाओं में से एक परमाणु गति है, जिसके अवलोकन से आणविक कंपन, आणविक पृथक्करण और प्रकाश संश्लेषक प्रोटीन में ऊर्जा हस्तांतरण जैसी मूलभूत प्रक्रियाओं की वैज्ञानिक समझ में सुधार हुआ है।
बायोइमेजिंग
उच्च शिखर शक्ति वाले अल्ट्राफास्ट लेजर नॉनलाइनियर प्रक्रियाओं का समर्थन करते हैं और बायोइमेजिंग के लिए रिज़ॉल्यूशन में सुधार करते हैं, जैसे मल्टीफोटोन माइक्रोस्कोपी (चित्र 12)। एक मल्टीफोटोन प्रणाली में, जैविक माध्यम या फ्लोरोसेंट लक्ष्य से एक गैर-रेखीय संकेत उत्पन्न करने के लिए दो फोटॉन को अंतरिक्ष और समय में ओवरलैप करना होगा। यह नॉनलाइनियर तंत्र पृष्ठभूमि प्रतिदीप्ति सिग्नल को महत्वपूर्ण रूप से कम करके इमेजिंग रिज़ॉल्यूशन में सुधार करता है जो एकल-फोटॉन प्रक्रियाओं के अध्ययन को प्रभावित करता है। चित्र 13 इस सरलीकृत सिग्नल पृष्ठभूमि को दर्शाता है। मल्टीफोटोन माइक्रोस्कोपी का छोटा उत्तेजना क्षेत्र फोटोटॉक्सिसिटी को भी रोकता है और नमूने को होने वाले नुकसान को कम करता है।
चित्र 6: मल्टीफोटोन या नॉनलाइनियर माइक्रोस्कोपी पारंपरिक कन्फोकल माइक्रोस्कोपी तकनीकों की तुलना में कम फोटोब्लीचिंग और फोटोटॉक्सिसिटी के साथ उच्च-रिज़ॉल्यूशन त्रि-आयामी (3 डी) छवियों को कैप्चर करने के लिए एक अल्ट्राफास्ट लेजर स्रोत का उपयोग करता है।
चित्र 7: दो-फोटॉन दो-फोटॉन (ऊपर) और एकल-फोटॉन (नीचे) माइक्रोस्कोपी प्रणाली का सिग्नल स्थिति चित्रण। दो फोटॉनों द्वारा उत्पन्न ओवरलैप के परिणामस्वरूप उत्तेजना की मात्रा कम हो जाती है, जबकि एकल-फोटॉन सिग्नल फोकल प्लेन के बाहर से पृष्ठभूमि सिग्नल से प्रभावित होता है।
लेजर सामग्री प्रसंस्करण
अल्ट्राफास्ट लेजर स्रोतों ने लेजर माइक्रोमशीनिंग और सामग्री प्रसंस्करण में भी क्रांति ला दी है, क्योंकि अल्ट्राशॉर्ट पल्स सामग्री के साथ बातचीत करते हैं। जैसा कि पहले उल्लेख किया गया है, एलडीटी पर चर्चा करते समय, अल्ट्राफास्ट पल्स अवधि सामग्री जाली में थर्मल प्रसार के समय पैमाने से तेज होती है। अल्ट्राफास्ट लेज़र नैनोसेकंड स्पंदित लेज़रों की तुलना में बहुत छोटे ताप-प्रभावित क्षेत्र का उत्पादन करते हैं, जिसके परिणामस्वरूप कम केर्फ़ हानि और अधिक सटीक प्रसंस्करण होता है। यह सिद्धांत चिकित्सा अनुप्रयोगों पर भी लागू होता है, जहां अल्ट्राफास्ट लेजर कटिंग की बढ़ी हुई सटीकता आसपास के ऊतकों को नुकसान को कम करने और लेजर सर्जरी के दौरान रोगी के अनुभव को बेहतर बनाने में मदद करती है।
एटोसेकंड पल्स: अल्ट्राफास्ट लेजर का भविष्य
जैसे-जैसे अल्ट्राफास्ट लेज़रों को आगे बढ़ाने पर शोध जारी है, कम पल्स अवधि वाले नए और बेहतर प्रकाश स्रोत विकसित किए जा रहे हैं। तेज़ भौतिक प्रक्रियाओं में अंतर्दृष्टि प्राप्त करने के लिए, कई शोधकर्ता एटोसेकंड पल्स की पीढ़ी पर ध्यान केंद्रित कर रहे हैं - चरम पराबैंगनी (एक्सयूवी) तरंग दैर्ध्य रेंज में, एटोसेकंड पल्स लगभग 10-18 सेकेंड हैं। एटोसेकंड पल्स इलेक्ट्रॉन गति की ट्रैकिंग की अनुमति देते हैं और इलेक्ट्रॉनिक संरचना और क्वांटम यांत्रिकी की हमारी समझ में सुधार करते हैं। हालांकि औद्योगिक प्रक्रियाओं में एक्सयूवी एटोसेकंड लेजर के एकीकरण ने अभी तक महत्वपूर्ण गति प्राप्त नहीं की है, लेकिन क्षेत्र में चल रहे अनुसंधान और प्रगति निश्चित रूप से इस तकनीक को प्रयोगशाला से बाहर और विनिर्माण में धकेल देगी, जैसा कि फेमटोसेकंड और पिकोसेकंड लेजर स्रोतों के मामले में हुआ है।
