Le développement et l'application de la technologie laser femtoseconde
2021-12-15
Depuis que Maman a obtenu pour la première fois une sortie d'impulsion laser en 1960, le processus de compression humaine de la largeur d'impulsion laser peut être grossièrement divisé en trois étapes : l'étape de la technologie de commutation Q, l'étape de la technologie de verrouillage de mode et l'étape de la technologie d'amplification des impulsions chirpées. L'amplification d'impulsions chirpées (CPA) est une nouvelle technologie développée pour surmonter l'effet d'auto-focalisation généré par les matériaux laser à semi-conducteurs lors de l'amplification laser femtoseconde. Il fournit d'abord des impulsions ultra-courtes générées par des lasers à verrouillage de mode. "Chirp positif", augmentez la largeur d'impulsion en picosecondes ou même en nanosecondes pour l'amplification, puis utilisez la méthode de compensation de chirp (chirp négatif) pour compresser la largeur d'impulsion après avoir obtenu une amplification d'énergie suffisante. Le développement des lasers femtosecondes est d'une grande importance. Avant 1990,laser femtosecondeles impulsions avaient été obtenues en utilisant la technologie de verrouillage de mode laser à colorant avec une large bande passante de gain. Cependant, la maintenance et la gestion du laser à colorant sont extrêmement compliquées, ce qui limite son application. Avec l'amélioration de la qualité des cristaux Ti:Sapphire, des cristaux plus courts peuvent également être utilisés pour obtenir des gains suffisamment élevés pour obtenir une oscillation d'impulsion courte. En 1991, Spence et al. a développé pour la première fois un laser femtoseconde Ti:Sapphire auto-verrouillé. Le développement réussi d'un laser femtoseconde Ti:Sapphire d'une largeur d'impulsion de 60 fs a grandement favorisé l'application et le développement des lasers femtoseconde. En 1994, l'utilisation de la technologie d'amplification d'impulsions chirpées pour obtenir des impulsions laser inférieures à 10 fs, actuellement à l'aide de la technologie de verrouillage en mode automatique de la lentille Kerr, de la technologie d'amplification d'impulsions chirpées paramétriques optiques, de la technologie de vidage de cavité, de la technologie d'amplification multi-passes, etc. peut faire du laser La largeur d'impulsion est compressée à moins de 1 fs pour entrer dans le domaine attoseconde, et la puissance de crête de l'impulsion laser est également augmentée de térawatt (1TW = 10 ^ 12 W) à pétawatt (1PW = 10 ^ 15 W). Ces percées majeures dans la technologie laser ont déclenché des changements importants et profonds dans de nombreux domaines. Dans le domaine de la physique, le champ électromagnétique d'ultra-haute intensité généré par le laser femtoseconde peut générer des neutrons relativistes, et peut également manipuler directement des atomes et des molécules. Sur un dispositif laser à fusion nucléaire de bureau, une impulsion laser femtoseconde est utilisée pour irradier des amas moléculaires deutérium-tritium. Il peut initier une réaction de fusion nucléaire et produire un grand nombre de neutrons. Lorsque le laser femtoseconde interagit avec l'eau, il peut provoquer une réaction de fusion nucléaire de l'isotope de l'hydrogène, le deutérium, générant d'énormes quantités d'énergie. L'utilisation de lasers femtosecondes pour contrôler la fusion nucléaire peut obtenir une énergie de fusion nucléaire contrôlable. Dans le Laboratoire de physique de l'univers, un plasma à haute densité d'énergie généré par des impulsions lumineuses à ultra haute intensité de lasers femtosecondes peut reproduire les phénomènes internes de la Voie lactée et des étoiles au sol. La méthode de résolution temporelle femtoseconde permet d'observer clairement les changements des molécules placées dans le nanoespace et leurs états électroniques internes sur l'échelle de temps des femtosecondes. Dans le domaine de la biomédecine, en raison de la puissance de crête élevée et de la densité de puissance des lasers femtosecondes, divers effets non linéaires tels que l'ionisation multiphotonique et les effets d'auto-focalisation sont souvent provoqués lors de l'interaction avec divers matériaux. Dans le même temps, le temps d'interaction entre le laser femtoseconde et les tissus biologiques est insignifiant par rapport au temps de relaxation thermique des tissus biologiques (de l'ordre de ns). Pour les tissus biologiques, une élévation de température de quelques degrés se transformera en une onde de pression vers les nerfs. Les cellules produisent des douleurs et des dommages thermiques aux cellules, de sorte que le laser femtoseconde peut réaliser un traitement sans douleur et sans chaleur. Le laser femtoseconde présente les avantages d'une faible énergie, de petits dommages, d'une grande précision et d'un positionnement strict dans l'espace tridimensionnel, ce qui peut répondre au mieux aux besoins particuliers du domaine biomédical. Le laser femtoseconde est utilisé pour traiter les dents afin d'obtenir des canaux propres et bien rangés sans endommager les bords, en évitant l'influence des contraintes mécaniques et des contraintes thermiques causées par les lasers à impulsions longues (tels que Er:YAG), la calcification, les fissures et les surfaces rugueuses. Lorsque le laser femtoseconde est appliqué à la découpe fine de tissus biologiques, la luminescence du plasma lors de l'interaction du laser femtoseconde avec les tissus biologiques peut être analysée par spectre, et le tissu osseux et le tissu cartilagineux peuvent être identifiés, afin de déterminer et de contrôler ce que est nécessaire dans le processus de traitement chirurgical Pulse energy. Cette technique est d'une grande importance pour la chirurgie des nerfs et de la colonne vertébrale. Le laser femtoseconde avec une plage de longueurs d'onde de 630 à 1053 nm peut effectuer une coupe et une ablation chirurgicales non thermiques sûres, propres et de haute précision du tissu cérébral humain. Un laser femtoseconde avec une longueur d'onde de 1060nm, une largeur d'impulsion de 800fs, une fréquence de répétition d'impulsion de 2kHz et une énergie d'impulsion de 40μJ peut effectuer des opérations de coupe cornéenne propres et de haute précision. Le laser femtoseconde présente les caractéristiques d'absence de dommage thermique, ce qui est d'une grande importance pour la revascularisation myocardique au laser et l'angioplastie au laser. En 2002, le Hannover Laser Center en Allemagne a utilisé un laser femtoseconde pour achever la production révolutionnaire d'une structure de stent vasculaire sur un nouveau matériau polymère. Comparé au stent en acier inoxydable précédent, ce stent vasculaire a une bonne biocompatibilité et une compatibilité biologique. La dégradabilité est d'une grande importance pour le traitement des maladies coronariennes. Dans les essais cliniques et les essais biologiques, la technologie laser femtoseconde peut couper automatiquement les tissus biologiques des organismes au niveau microscopique et obtenir des images tridimensionnelles haute définition. Cette technologie est d'une grande importance pour le diagnostic et le traitement du cancer et l'étude des mutations génétiques animales. Dans le domaine du génie génétique. En 2001, K.Konig d'Allemagne a utilisé Ti:Sapphirelaser femtosecondepour effectuer des opérations à l'échelle nanométrique sur l'ADN humain (chromosomes) (largeur de coupe minimale 100nm). En 2002, U.irlapur et Koing ont utilisé unlaser femtosecondepour créer un micropore réversible dans la membrane de la cellule cancéreuse, puis a permis à l'ADN d'entrer dans la cellule par ce trou. Plus tard, la propre croissance de la cellule a fermé le trou, réalisant ainsi avec succès le transfert de gènes. Cette technique présente les avantages d'une fiabilité élevée et d'un bon effet de transplantation, et est d'une grande importance pour la transplantation de matériel génétique étranger dans diverses cellules, y compris les cellules souches. Dans le domaine de l'ingénierie cellulaire, les lasers femtosecondes sont utilisés pour réaliser des opérations de nano-chirurgie dans des cellules vivantes sans endommager la membrane cellulaire. Ces techniques de fonctionnement au laser femtoseconde ont une signification positive pour la recherche sur la thérapie génique, la dynamique cellulaire, la polarité cellulaire, la résistance aux médicaments et les différents composants des cellules et la structure hétérogène subcellulaire. Dans le domaine de la communication par fibre optique, le temps de réponse des matériaux de dispositifs optoélectroniques à semi-conducteurs est le "goulot d'étranglement" qui limite la communication par fibre optique à vitesse super commerciale. L'application de la technologie de contrôle cohérent femtoseconde fait que la vitesse des commutateurs optiques à semi-conducteurs atteint 10000 Gbit/s, ce qui peut enfin atteindre la limite théorique de la mécanique quantique. . De plus, la technologie de mise en forme de forme d'onde de Fourier des impulsions laser femtoseconde est appliquée aux communications optiques à grande capacité telles que le multiplexage par répartition dans le temps, le multiplexage par répartition en longueur d'onde et l'accès multiple par répartition en code, et un débit de transmission de données de 1 Tbit/s peut être obtenu. Dans le domaine du traitement ultra-fin, le fort effet d'auto-focalisation delaser femtosecondeles impulsions dans un support transparent rendent la tache focale du laser plus petite que la limite de diffraction, provoquant des micro-explosions à l'intérieur du matériau transparent pour former des pixels stéréo avec des diamètres inférieurs au micron. En utilisant cette méthode, un stockage optique tridimensionnel haute densité peut être effectué et la densité de stockage peut atteindre 10 ^ 12 bits/cm3. Et peut réaliser une lecture et une écriture rapides des données et un accès aléatoire aux données parallèles. La diaphonie entre les couches de bits de données adjacentes est très faible et la technologie de stockage tridimensionnelle est devenue une nouvelle direction de recherche dans le développement de la technologie actuelle de stockage de masse. Les guides d'ondes optiques, les séparateurs de faisceaux, les coupleurs, etc. sont les composants optiques de base de l'optique intégrée. En utilisant des lasers femtosecondes sur une plate-forme de traitement contrôlée par ordinateur, des guides d'ondes optiques bidimensionnels et tridimensionnels de n'importe quelle forme peuvent être fabriqués à n'importe quelle position à l'intérieur du matériau. , séparateur de faisceau, coupleur et autres dispositifs photoniques, et peut être couplé à une fibre optique standard, l'utilisation d'un laser femtoseconde peut également créer un micro-miroir à 45 ° à l'intérieur du verre photosensible, et maintenant un circuit optique composé de 3 micro-miroirs internes a été produit , Peut faire pivoter le faisceau de 270 ° dans la zone de 4 mm x 5 mm. Plus scientifiquement, des scientifiques aux États-Unis ont récemment utilisé des lasers femtosecondes pour créer un guide d'onde optique à gain de 1 cm de long, qui peut générer un gain de signal de 3 dB/cm près de 1062 nm. Le réseau de Bragg à fibre a des caractéristiques de sélection de fréquence efficaces, est facile à coupler avec un système de communication à fibre et a une faible perte. Par conséquent, il présente de riches caractéristiques de transmission dans le domaine fréquentiel et est devenu un point chaud de recherche des dispositifs à fibre optique. En 2000, Kawamora K et al. a utilisé deux interférométries laser infrarouge femtoseconde pour obtenir pour la première fois des réseaux holographiques en relief de surface. Plus tard, avec le développement de la technologie de production et de la technologie, en 2003 Mihaiby. S et al. utilisé des impulsions laser femtoseconde Ti:Sapphire combinées à des plaques de phase d'ordre zéro pour obtenir des réseaux de Bragg réfléchissants sur le cœur des fibres de communication. Il a une plage de modulation d'indice de réfraction élevée et une bonne stabilité de température. Le cristal photonique est une structure diélectrique avec une modulation périodique de l'indice de réfraction dans l'espace, et sa période de changement est du même ordre de grandeur que la longueur d'onde de la lumière. Le dispositif à cristal photonique est un tout nouveau dispositif qui contrôle la propagation des photons et est devenu un point névralgique de la recherche dans le domaine de la photonique. En 2001, Sun H B et al. utilisé des lasers femtosecondes pour fabriquer des cristaux photoniques avec des réseaux arbitraires dans du verre de silice dopé au germanium, qui peuvent sélectionner individuellement des atomes individuels. En 2003, Serbin J et al. utilisé le laser femtoseconde pour induire la polymérisation à deux photons de matériaux hybrides inorganiques-organiques afin d'obtenir des microstructures tridimensionnelles et des cristaux photoniques avec une taille de structure inférieure à 200 nm et une période de 450 nm. Les lasers femtosecondes ont obtenu des résultats révolutionnaires dans le domaine du traitement des dispositifs microphotoniques, de sorte que les connecteurs directionnels, les filtres passe-bande, les multiplexeurs, les commutateurs optiques, les convertisseurs de longueur d'onde et les modulateurs peuvent être traités sur une "puce". Des boucles d'ondes lumineuses planaires avec d'autres composants sont possibles. A jeté les bases des dispositifs photoniques pour remplacer les dispositifs électroniques. La technologie des photomasques et de la lithographie est une technologie clé dans le domaine de la microélectronique, qui est directement liée à la qualité et à l'efficacité de la production des produits de circuits intégrés. Les lasers femtosecondes peuvent être utilisés pour réparer les défauts du photomasque, et la largeur de ligne réparée peut atteindre une précision inférieure à 100 nm. lelaser femtosecondela technologie d'écriture directe peut être utilisée pour fabriquer rapidement et efficacement des photomasques de haute qualité. Ces résultats sont très importants pour la micro Le développement de la technologie électronique est d'une grande importance.
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