Кіріспе
Лазерлік импульстің ұзақтығы пикосекундтан (10^12 с) кем немесе оған тең
Оптикада ультрақысқа импульс, сондай-ақ ультражылдам құбылыс деп те аталады, бұл уақыт ұзақтығы пикосекундтан (10−12 секунд) кем немесе оған тең электромагниттік импульс. Мұндай импульстер кең спектрлі оптикалық спектрге ие және режимді құлыпталған осцилляторлар арқылы жасалуы мүмкін. Ультрақысқа импульстерді күшейту көбінесе күшейткіштің активті ортасына зақым келтірмеу үшін, импульсті созу арқылы күшейту техникасын қажет етеді. Олар жоғары шыңдық қарқындылығымен (немесе дәлірек айтқанда, сәулеленуімен) сипатталады, бұл әдетте әртүрлі материалдарда, соның ішінде ауадағы сызықтық емес өзара әрекеттесулерге алып келеді. Бұл процестер сызықтық емес оптика саласында зерттеледі. Мамандық әдебиетінде "ультрақысқа" термині фемтосекундтық (fs) және пикосекундтық (ps) диапазонды білдіреді, бірақ мұндай импульстер енді жасанды түрде жасалған ең қысқа импульстердің рекордын ұстамайды. Шындығында, аттосекундтық уақыт шкаласындағы x-сәулелік импульстер туралы хабарламалар бар. 1999 жылғы Химия бойынша Нобель сыйлығы Ахмед Х. Зейвельге, химиялық реакцияларды олар өтетін уақыт шкаласында бақылау үшін ультрақысқа импульстерді қолданғаны үшін берілді, бұл фемтохимия саласын ашты. 2023 жылғы Физика бойынша Нобель сыйлығы да ультрақысқа импульстер үшін табысталды. Бұл сыйлық Пьер Агостини, Ференц Крауш және Энн Л’Хюльерге аттосекундтық импульстерді жасағаны және электрондық динамиканы зерттегені үшін берілді.
Анықтама
Ультрақысқа импульстің нақты анықтамасы жоқ. Әдетте, "ультрақысқа" деген сөз бірнеше ондаған фемтосекундқа созылатын импульстарға қатысты қолданылады, бірақ кең мағынада бірнеше пикосекундтан кем уақытқа созылатын кез келген импульс ультрақысқа деп есептелуі мүмкін. "Ультрақысқа" мен "Ультражылдам" терминдерін ажырату қажет, себебі импульстің таралу жылдамдығы оның қозғалатын ортаның сындыру көрсеткішіне байланысты, ал "Ультрақысқа" импульстің толқындық пакетінің уақытша кеңдігін көрсетеді. Көрінетін мысал – бұл жиілігі өзгеретін Гаусс импульсі, яғни толқынның өріс амплитудасы Гаусс қабықшасына сәйкес келіп, оның сәттік фазасы жиілік бойынша өзгереді.
Импульс пішінін басқару
Тұрақты жарыққа арналған оптикалық құрылғылар, мысалы, сәуле кеңейткіштер және кеңістіктік сүзгілер ультрақысқа импульстер үшін де қолданылуы мүмкін, бірақ бірнеше оптикалық құрылғылар ультрақысқа импульстер үшін арнайы жасалған. Олардың бірі – импульстік компрессор, ол ультрақысқа импульстердің спектрлік фазасын басқаруға қолданылатын құрылғы. Ол призмалар немесе дифракциялық торлар тізбегінен тұрады. Дұрыс реттелген кезде ол кіріс импульсінің φ(ω) спектрлік фазасын өзгерте алады, нәтижесінде шығыс импульсі ең қысқа ұзақтығына және жолақты шектеулі импульске ие болады. Импульстік формалайтын құрылғы ультрақысқа импульстердің фазасы мен амплитудасына күрделірек өзгерістер енгізу үшін қолданылуы мүмкін. Импульсті дәл басқару үшін, импульстің спектрлік фазасын толық сипаттау қажет, осылайша белгілі бір спектрлік фазаны алуға болады (мысалы, түрлендіру шектеулі). Содан кейін, импульсті басқару үшін кеңістіктік жарық модулятор 4f жазықтығында қолданылуы мүмкін. Көп фотонды импульстік интерференциялық фазалық сканерлеу (MIIPS) осы принципке негізделген әдіс. Фазалық сканерлеу арқылы, MIIPS ультрақысқа импульсті сипаттап қана қоймай, сонымен қатар мақсатты нүктеде қажетті импульстік пішінге ие болу үшін оны басқара алады (мысалы, оңтайландырылған ең жоғары қуат үшін түрлендіру шектеулі импульс және басқа да нақты импульстік пішіндер). Егер импульстік формалайтын құрылғы толық калибрленген болса, бұл әдіс қозғалмалы бөліктері жоқ қарапайым оптикалық жүйе арқылы ультрақысқа импульстердің спектрлік фазасын басқаруға мүмкіндік береді. Дегенмен, MIIPS-тің дәлдігі жиіліктік ажыратымды оптикалық қақпа (FROG) сияқты басқа әдістерге қарағанда біршама шектеулі.
Өлшеу әдістері
Ультрақысқа оптикалық импульстерді өлшеу үшін бірнеше техникалар бар. Интенсивтік автокорреляциясы белгілі бір импульс пішіні болғанда импульстің ұзақтығын анықтайды. Спектрлік интерферометрия (СИ) – бұрын сипатталған эталондық импульс болған жағдайда қолданылатын сызықтық техника. Ол интенсивтілік пен фазаны береді. СИ сигналынан интенсивтілік пен фазаны шығару алгоритмі тікелей. Тікелей электр өрісін қалпына келтіруге арналған спектрлік фазалық интерферометрия (SPIDER) – спектрлік қию интерферометриясына негізделген, өзін-өзі анықтауға мүмкіндік беретін сызықтық емес техника. Бұл әдіс СИ-ге ұқсас, бірақ эталондық импульс – өзінің спектрлік түрлендірілген көшірмесі болып табылады, бұл СИ-ге ұқсас тікелей FFT сүзгісі арқылы зонд импульсінің спектрлік интенсивтілігі мен фазасын алуға мүмкіндік береді, бірақ зонд импульсінің фазасын алу үшін интерферограммадан алынған фазаны интеграциялау қажет. Жиілікпен ажыратылған оптикалық қақпа (FROG) – импульстің интенсивтілігі мен фазасын анықтайтын сызықтық емес техника. Бұл спектрлік ажыратылған автокорреляция. FROG графигінен интенсивтілік пен фазаны шығару алгоритмі итеративті. Төртінші гармоникалық генерацияны жою арқылы ультражылдам лазерлік жарық өрістерін бақылау (GRENOUILLE) – FROG-тың қарапайымдалған нұсқасы. (Grenouille француз тілінде «бақа» деген мағынаны білдіреді.) Чирп сканилеу – MIIPS-ке ұқсас техника, импульстің спектрлік фазасын квадраттық спектрлік фазалардың рампасын қолдану және екінші гармоникалық спектрлерді өлшеу арқылы анықтайды. MIIPS-ке қарағанда, импульстің спектрлік фазасын өлшеу үшін көптеген итерациялар қажет, ал чирп сканилеудің тек екісі импульстің амплитудасы мен фазасын алу үшін жеткілікті. Көпфотондық импульстік интерференциялық фазалық сканилеу (MIIPS) – ультрақысқа импульсті сипаттау және манипуляциялау әдісі.
Жоғары гармоникалар
Жоғары энергиялы ультрақысқа импульстер сызықтық емес ортада жоғары гармоникалық генерация арқылы туындатылуы мүмкін. Жоғары интенсивті ультрақысқа импульс ортада гармоникалар тізбегін жасайды; қажетті нақты бір гармоника монохроматор арқылы таңдап алынады. Бұл техника жақын инфрақызыл Ti сапфир лазерлік импульстерден ең жоғары ультракөк және жұмсақ рентген сәулелену диапазондарында ультрақысқа импульстерді жасау үшін қолданылған.
3D микро-/наноөңдеуде жетілдірілген материалдарды өңдеу
Фемтосекундтық лазерлердің кең ауқымды қолданыстар үшін күрделі құрылымдар мен құрылғыларды тиімді өндіру мүмкіндігі соңғы он жылда жан-жақты зерттелді. Ультрақысқа жарық импульстарын қолданатын лазерлік өңдеудің қазіргі заманғы технологиялары материалдарды субмикрометрлік ажыратымдылықпен құрылымдауға мүмкіндік береді. Сәйкес фоторезистерлер және басқа да мөлдір орталарды тікелей лазерлік жазу (DLW) арқылы күрделі үш өлшемді фотондық кристалдарды (PhC), микрооптикалық компоненттерді, дифракциялық торларды, тіндік инженерия (TE) мұқтаждарларын және оптикалық толқынжолдарды жасауға болады. Мұндай құрылымдар телекоммуникация және биоинженерия салаларындағы келесі буын қолданыстарын дамытуға, оның ішінде күрделі миниатюралық бөлшектерді жасауға әлеуетті мүмкіндік береді. Ультражылдам лазерлік өңдеудің жоғары дәлдігі, өндіріс жылдамдығы және әмбебаптығы оны өндіріс үшін маңызды өнеркәсіптік құралға айналдыруға негіз жасайды.
Микроөңдеу
Фемтосекундтық лазердің қолданылуының ішінде, цирконий тіс имплантаттарының айналасындағы сүйек қалыптасуын жақсарту мақсатында имплантат бетін микротекстурациялау тәжірибесі жүргізілді. Бұл техника өте төмен жылулық зақымданумен және беткі ластанушы заттарды азайту арқылы жоғары дәлдікке ие екенін көрсетті. Жануарлардың кейінгі зерттеулері фемтосекундтық лазермен микротекстурациялау нәтижесінде пайда болған оттегі қабатының қалыңдауы және микро- мен наноқұрылымдардың сүйек қалыптасу жылдамдығын арттырғанын, сүйек тығыздығын жоғарылатқанын және механикалық тұрақтылықты жақсартқанын көрсетті.
Көпфотонды полимерлеу
Мултифотонды полимерлеу (МФП) микро және нано масштабтағы құрылымдарды ерекше дәлдікпен жасау мүмкіндігімен ерекшеленеді. Бұл процесте фемтосекундтық лазерлердің шоғырланған қуаты бақыланатын фотополимерлеу реакцияларын іске қосу үшін қолданылады, нәтижесінде егжей-тегжейлі үш өлшемді конструкциялар құрылады. Бұл қабілеттер МФП-ді биомедициналық қолданыстар үшін күрделі геометрияларды жасауға, оның ішінде тіндік инженерия және микроқұрылғыларды жасауға қажетті етеді, бұл ультрақысқа импульсті лазерлердің жоғары технологиялық өндіріс процестеріндегі әмбебаптығы мен дәлдігін көрсетеді.