Caractéristiques uniques des lasers ultrarapides
Les durées d'impulsion ultra-courtes des lasers ultrarapides confèrent à ces systèmes des caractéristiques uniques qui les distinguent des lasers à impulsions longues ou à ondes continues (CW). Afin de générer des impulsions aussi courtes, une large bande passante spectrale est nécessaire. La forme de l'impulsion et la longueur d'onde centrale déterminent la bande passante minimale requise pour produire une impulsion d'une durée spécifique. Généralement, cette relation est décrite par le produit de bande passante temporelle (TBP), dérivé du principe d'incertitude. Le TBP d'une impulsion distribuée gaussienne est donné par.
TBPGaussien{{0}}ΔτΔν≈0,441
Δτ est la durée de l'impulsion et Δv est la bande passante de fréquence. Essentiellement, l’équation montre qu’il existe une relation inverse entre la bande passante spectrale et la durée de l’impulsion, ce qui signifie qu’à mesure que la durée de l’impulsion diminue, la bande passante requise pour générer cette impulsion augmente. La figure 1 illustre la bande passante minimale requise pour prendre en charge plusieurs durées d'impulsion différentes.
Figure 1 : Bande passante spectrale minimale requise pour prendre en charge des impulsions laser de 10 ps (vert), 500 fs (bleu) et 50 fs (rouge).
Figure 2 : Représentation de la puissance moyenne Pavg et de la puissance crête Ppeak pour un laser avec une durée d'impulsion t
Défis techniques des lasers ultrarapides
La large bande passante spectrale, la puissance de crête élevée et la courte durée d'impulsion des lasers ultrarapides doivent être correctement gérées dans votre système. Souvent, l’un des défis les plus faciles à relever est la puissance à large spectre du laser. Si vous avez principalement utilisé des lasers à impulsions plus longues ou à ondes continues dans le passé, votre inventaire d'optiques existant n'est peut-être pas capable de réfléchir ou de transmettre toute la bande passante des impulsions ultrarapides.
Seuil de dommages laser
Les optiques ultrarapides ont également un seuil de dommage laser (LDT) significativement différent et plus difficile à naviguer que les sources laser plus traditionnelles (Figure 3). Lors de la fourniture d'optiques pour les lasers pulsés nanosecondes, les valeurs LDT sont généralement de l'ordre de 5-10 J/cm2. Pour l'optique ultrarapide, des valeurs de cette ampleur sont pratiquement inconnues, car les valeurs LDT sont plus susceptibles d'être de l'ordre de<1 J/cm2, usually closer to 0.3 J/cm2.
La variation significative de l'amplitude du LDT pour différentes durées d'impulsion est une conséquence du mécanisme d'endommagement du laser basé sur la durée de l'impulsion. Pour les lasers nanosecondes ou les lasers à impulsions plus longues, le principal mécanisme conduisant aux dommages est le chauffage thermique. Les matériaux de revêtement et de substrat de l'optique absorbent les photons incidents et chauffent. Cela peut entraîner une distorsion du réseau du matériau. Les effets tels que la dilatation thermique, la fissuration, la fusion et la déformation du réseau sont des mécanismes de dommages thermiques courants pour ces types de sources laser.
Figure 3 : Les dommages causés par le laser aux surfaces optiques, comme illustré ici, peuvent dégrader les performances d'un système laser, le rendant inutile, voire dangereux. En raison de la courte durée de l'impulsion, les mécanismes de dommages lors de l'utilisation de lasers ultrarapides sont très différents de ceux liés à l'utilisation de lasers à impulsions plus longues.
Cependant, avec les lasers ultrarapides, la durée de l'impulsion elle-même est plus rapide que l'échelle de temps de transfert de chaleur du laser au réseau du matériau, et les effets thermiques ne sont donc pas la principale cause des dommages induits par le laser (Figure 4). Au lieu de cela, la puissance maximale du laser ultrarapide transforme le mécanisme de dommage en processus non linéaires tels que l’absorption multiphotonique et l’ionisation. C’est pourquoi il n’est pas possible de simplement réduire la valeur LDT d’une impulsion nanoseconde à celle d’une impulsion ultrarapide, car les mécanismes physiques de dommage sont différents. Par conséquent, dans les mêmes conditions d'utilisation (par exemple, longueur d'onde, durée d'impulsion et fréquence de répétition), une optique avec un indice LDT suffisamment élevé sera la meilleure optique pour votre application particulière. Les optiques testées dans différentes conditions ne sont pas représentatives des performances réelles des mêmes optiques dans un système.
Figure 4 : Mécanismes de dommages induits par le laser pour différentes durées d'impulsion
Dispersion et extension d'impulsion : dispersion de retard de groupe
L’un des défis techniques les plus difficiles rencontrés lors de l’utilisation de lasers ultrarapides consiste à maintenir la durée de l’impulsion ultracourte initialement émise par le laser. Les impulsions ultrarapides sont très sensibles aux aberrations temporelles, qui rendent l’impulsion plus longue. Cet effet s'aggrave à mesure que la durée de l'impulsion initiale est raccourcie. Alors que les lasers ultrarapides peuvent émettre des impulsions d'une durée de 50 secondes, il est possible d'étendre l'impulsion dans le temps en utilisant des miroirs et des lentilles pour délivrer l'impulsion à l'emplacement cible, ou même simplement pour transmettre l'impulsion dans l'air.
Cette distorsion temporelle est quantifiée à l'aide d'une métrique appelée dispersion de retard de groupe (GDD), également connue sous le nom de dispersion du second ordre. En fait, il existe également des termes de dispersion d'ordre supérieur qui peuvent affecter la distribution temporelle des impulsions laser ultrarapides, mais en pratique, il suffit généralement d'examiner l'effet du GDD. GDD est une valeur dépendante de la fréquence qui évolue linéairement avec l'épaisseur d'un matériau donné. Les optiques de transmission telles que les lentilles, les fenêtres et les objectifs ont généralement des valeurs GDD positives, ce qui indique qu'une fois compressée, l'impulsion peut donner à l'optique de transmission une durée d'impulsion plus longue que l'impulsion émise par le système laser. Les composants de fréquence inférieure (c'est-à-dire de longueur d'onde plus longue) se propagent plus rapidement que les composants de fréquence plus élevée (c'est-à-dire de longueur d'onde plus courte). À mesure que l’impulsion traverse de plus en plus de matière, les longueurs d’onde de l’impulsion continueront à s’étendre de plus en plus loin dans le temps. Pour des durées d'impulsion plus courtes, et donc des bandes passantes plus larges, cet effet est encore exagéré et peut conduire à une distorsion significative du temps d'impulsion.
Pour les impulsions plus longues avec des durées d'impulsion nanosecondes ou même picosecondes, le GDD ne constitue pas un problème majeur. Cependant, pour des impulsions femtosecondes plus courtes, même le fait de placer un morceau de N-BK7 de 10 mm d'épaisseur dans le trajet du faisceau peut élargir de plus de 12 % une impulsion de 50 fs centrée à 800 nm, ce qui équivaut à peu près à placer deux fenêtres ou filtres dans le faisceau. chemin du faisceau.
L'impact du GDD sur une application dépend de plusieurs facteurs, notamment la durée de l'impulsion d'entrée (τinput), la fréquence centrale (ou longueur d'onde) et le matériau à travers lequel l'impulsion se propage.
L'équation (2) montre clairement que pour la même valeur de GDD, une durée d'impulsion plus courte s'élargira plus significativement qu'une durée d'impulsion d'entrée plus longue. C'est pourquoi le GDD n'est pas abordé dans le contexte des impulsions nanosecondes ou picosecondes. Par exemple, un GDD de seulement 20,000 fs2 peut élargir une impulsion de 1 ps de 0,2 %. Les exemples des paragraphes suivants montrent que cela équivaut à propager une impulsion de 1030 nm dans plus de 1 m de silice fondue.
L'indice de réfraction d'un matériau dépend de la fréquence de la lumière qui le traverse, et le GDD dépend de la même manière de l'indice de réfraction. Lors de la sélection d'optiques de transmission et de réfraction pour les systèmes ultrarapides, la silice fondue est souvent recommandée car elle présente l'une des valeurs GDD les plus basses dans les plages de longueurs d'onde du visible et du proche infrarouge. Par exemple, la propagation d'une impulsion de 1 030 nm à travers 1 mm de silice fondue produira un GDD d'environ 19 fs2, mais à la même longueur d'onde, 1 mm de SF11 entraînera un GDD de plus de 125 fs2. .info, sont une ressource utile pour déterminer quel matériau est le meilleur optique à utiliser dans le choix des trajets de faisceau, et votre GDD accumulé est une ressource utile.
En raison de cette tendance au GDD positif et à la déformation temporelle, il est fortement recommandé d'utiliser des optiques ultrarapides spécialisées qui produisent peu ou pas de GDD supplémentaire, réduisant ainsi la possibilité de durées d'impulsion prolongées.
Comment savoir si vous avez besoin d’une compression d’impulsion ?
Quand faut-il (re)comprimer une impulsion laser ? Dans les applications d’imagerie ultrarapide telles que la microscopie multiphotonique, les images floues indiquent que l’impulsion peut être étirée dans le temps. Dans le traitement laser ultrarapide, l’étirement des impulsions peut entraîner une précision et une précision de coupe réduites. La durée d'impulsion étirée réduit la probabilité d'interactions multiphotoniques, ce qui réduit l'efficacité du système ultrarapide. Bien qu'il ne soit pas possible de fournir des règles strictes et rapides pour chaque situation, les exemples de calculs suivants aident à démontrer certaines bonnes pratiques pour déterminer si une compression d'impulsion est nécessaire.
Considérons une configuration de microscope multiphotonique avec un trajet de faisceau comme le montre la figure 5.
Figure 5 : Exemple de schéma du trajet du faisceau dans une expérience de microscopie multiphotonique
Une approximation du premier ordre de l’expansion des impulsions peut être obtenue en additionnant les contributions GDD de tous les éléments du système avant que le laser n’atteigne l’échantillon. Supposons que les principaux contributeurs à la dispersion soient l'expandeur de faisceau, les filtres dichroïques et l'objectif de focalisation. Nous ignorerons l’effet des miroirs de balayage puisqu’ils sont généralement constitués de revêtements métalliques à faible GDD. Si l’impulsion est centrée sur une longueur d’onde de 1 030 nm, le système peut facilement ajouter plus de 600 fs2 de GDD.
La nécessité ou non de compresser l'impulsion dans le système dépend de la durée de l'impulsion d'entrée et des besoins spécifiques de l'application. Si vous démarrez avec une impulsion de 150 fs, la transmission à travers l'optique aura un effet négligeable sur la durée de l'impulsion. Cependant, si votre application nécessite une résolution temporelle qui ne peut être obtenue qu'avec une impulsion laser de 10 fs, cette quantité de GDD entraînera une extension de votre impulsion initiale jusqu'à environ 167 fs. Dans ce cas, une recompression est nécessaire. Ces détails précis dépendent fortement de votre trajet de faisceau et de votre application particuliers.
Applications laser ultrarapides
Spectroscopie
La spectroscopie est l'un des principaux domaines d'application des sources de lumière laser ultrarapides depuis leur introduction. En réduisant la durée des impulsions à des femtosecondes, voire à des attosecondes, des processus dynamiques en physique, chimie et biologie, historiquement impossibles à observer, sont désormais possibles. L'un des processus clés est le mouvement atomique, dont l'observation a amélioré la compréhension scientifique de processus fondamentaux tels que la vibration moléculaire, la dissociation moléculaire et le transfert d'énergie dans les protéines photosynthétiques.
Bioimagerie
Les lasers ultrarapides avec une puissance de crête élevée prennent en charge les processus non linéaires et améliorent la résolution pour la bioimagerie, comme la microscopie multiphotonique (Fig. 12). Dans un système multiphotonique, deux photons doivent se chevaucher dans l'espace et dans le temps afin de générer un signal non linéaire à partir d'un milieu biologique ou d'une cible fluorescente. Ce mécanisme non linéaire améliore la résolution de l’imagerie en réduisant considérablement le signal de fluorescence de fond qui nuit aux études sur les processus monophotoniques. La figure 13 illustre ce fond de signal simplifié. La plus petite région d’excitation de la microscopie multiphotonique prévient également la phototoxicité et minimise les dommages causés à l’échantillon.
Figure 6 : La microscopie multiphotonique ou non linéaire utilise une source laser ultrarapide pour capturer des images tridimensionnelles (3D) haute résolution avec un photoblanchiment et une phototoxicité réduits par rapport aux techniques de microscopie confocale conventionnelles.
Figure 7 : Représentation de la position du signal d’un système de microscopie à deux photons (en haut) et à un photon (en bas). Le chevauchement produit par les deux photons entraîne un volume d’excitation plus petit, tandis que le signal monophotonique est affecté par le signal de fond provenant de l’extérieur du plan focal.
Traitement des matériaux au laser
Les sources laser ultrarapides ont également révolutionné le micro-usinage laser et le traitement des matériaux en raison de la manière unique dont les impulsions ultracourtes interagissent avec les matériaux. Comme mentionné précédemment, lorsqu’on parle de LDT, la durée de l’impulsion ultrarapide est plus rapide que l’échelle de temps de diffusion thermique dans le réseau du matériau. Les lasers ultrarapides produisent une zone affectée thermiquement beaucoup plus petite que les lasers pulsés nanosecondes, ce qui entraîne une perte de saignée plus faible et un traitement plus précis. Ce principe s'applique également aux applications médicales, où la précision accrue de la découpe laser ultrarapide contribue à minimiser les dommages aux tissus environnants et à améliorer l'expérience du patient lors de la chirurgie au laser.
Impulsions attosecondes : l'avenir des lasers ultrarapides
Alors que la recherche sur les lasers ultrarapides se poursuit, de nouvelles sources de lumière améliorées avec des durées d'impulsion plus courtes sont en cours de développement. Pour mieux comprendre les processus physiques plus rapides, de nombreux chercheurs se concentrent sur la génération d'impulsions attosecondes : dans la plage de longueurs d'onde de l'ultraviolet extrême (XUV), les impulsions attosecondes durent environ 10-18 s. Les impulsions attosecondes permettent de suivre le mouvement des électrons et d'améliorer notre compréhension de la structure électronique et de la mécanique quantique. Bien que l’intégration des lasers attoseconde XUV dans les processus industriels n’ait pas encore gagné du terrain, les recherches et les progrès en cours dans le domaine feront presque certainement sortir cette technologie du laboratoire et de la fabrication, comme cela a été le cas avec les sources laser femtoseconde et picoseconde.
