کاربردهای لیزرهای فوق سریع

کاربردهای لیزرهای فوق سریع

به طور کلی پالس‌های لیزر اولترا کوتاه یا لیزرهای فمتوثانیه به طور فزاینده‌ای در بسیاری از زمینه‌ها به عنوان علم زیست و صنعت استفاده می‌شوند، زیرا در مقایسه با پالس‌های پیکوثانیه یا حتی نانوثانیه‌ای دارای مزایای قابل توجهی هستند. آنها به طور ایده آل برای کاربردهای علوم زیستی مانند بیوفوتونیک و به ویژه میکروسکوپ چند فوتونی مناسب هستند. بعلاوه شما می توانید به خوبی از این لیزرها در علوم اعصاب و به ویژه اپتوژنتیک استفاده کنید. همه این برنامه ها از قدرت پیک بسیار بالای سیستم های لیزر ما بهره می برند.

لیزر برای علوم اعصاب

میکروسکوپ فلورسانس 2 فوتونی به یک فناوری کلیدی در تصویربرداری بیولوژیکی در علوم اعصاب تبدیل شده است که امکان مطالعات سه بعدی و غیرتهاجمی ساختار و فعالیت عصبی در مقیاس زیر میکرونی را فراهم می کند. مکانیسم کنتراست در میکروسکوپ 2 فوتونی در تحقیقات عصب‌شناسی مبتنی بر تحریک پروتئین‌های فلورسنت سبز یا قرمز، به اصطلاح GFPs و RFP، توسط دو فوتون در محدوده طیفی مادون قرمز است. برای هدایت این فرآیند غیرخطی و شناسایی نورون‌ها در اعماق مغز زنده، لیزرهای فمتوثانیه با شکل پالس زمانی تمیز و متوسط ​​توان خروجی 1 وات یک پیش نیاز ضروری است. فراتر از تصویربرداری خالص، بازجویی تمام نوری یک رویکرد جدید برای درک چگونگی رفتار الگوهای فعال در فعالیت عصبی است. در چنین آزمایش‌هایی، تجسم فعالیت عصبی توسط تصویربرداری 2 فوتونی با اپتوژنتیک 2 فوتونی ترکیب می‌شود تا نورون‌های فردی را با فعال‌سازی نوری کانال‌های رودوپسین‌ها در سلول تحریک کنند. با نیاز به هیجان انگیز کردن بسیاری از نورون ها به صورت موازی، نیازهای لیزر و فناوری میکروسکوپ برای اپتوژنتیک 2 فوتونی اساساً با تصویربرداری 2 فوتون متفاوت است. به طور معمول، لیزرهای پرقدرت چند وات در 1030 - 1040 نانومتر با نرخ تکرار در محدوده 100 کیلوهرتز - 1 مگاهرتز در ترکیب با یک مدولاتور نور فضایی (SLM) برای تحریک 10 ثانیه تا 100 ثانیه نورون به طور همزمان استفاده می‌شوند. برای حمایت و هدایت تحقیقات در علوم اعصاب، TOPTICA مفتخر است مجموعه لیزری خود را برای تصویربرداری 2 فوتونی از GFP ها و RFP ها، FemtoFiber ultra 920 و FemtoFiber ultra 1050، و برای اپتوژنتیک 2 فوتونی کانال های رودوپسین FemtoFiber vario ما را معرفی کند.

پردازش مواد لیزری

پردازش مواد لیزری

در پردازش مواد لیزری، به عنوان مثال. حفاری یا برش لیزری، اغلب استفاده از پالس های نوری بسیار کوتاه با قدرت پیک بالا برای انرژی پالسی معین، سودمند است. مدت زمان پالس نانوثانیه (از لیزرهای نانوثانیه) اغلب بیش از حد طولانی است، زیرا انتشار قابل توجهی از انرژی ته نشین شده می تواند توسط هدایت حرارتی در طول مدت پالس رخ دهد. این برای مدت زمان پالس به عنوان مثال کاملاً متفاوت است. 10 ps یا کمتر، جایی که حداقل انتشار گرما در طول مدت پالس وجود دارد. در نتیجه، ساختارهای بسیار ظریف‌تری را می‌توان با کیفیت بالا (ریزماشینکاری لیزری) پردازش کرد. البته توجه داشته باشید که نتایج با کیفیت بالا معمولاً نیازمند بهینه سازی دقیق بسیاری از جزئیات فرآیند هستند.

در مقایسه با لیزرهای فمتوثانیه، منابع لیزر پیکو ثانیه ای اغلب مقرون به صرفه تر هستند: میانگین توان خروجی بالاتر با قیمت پایین تر در دسترس است. در کاربردهایی مانند ریزماشین کاری لیزری، گاهی اوقات با پالس های فمتوثانیه نتایج با کیفیت بهتری به دست می آید، اما پالس های پیکو ثانیه ای اغلب زمانی کافی هستند که فرآیند به طور کلی به اندازه کافی بهینه شده باشد. در چنین مواردی، لیزرهای پیکو ثانیه ای اغلب ترجیح داده می شوند.

گروه آموزشی مهندس شکوفه ساتری

لیزرهای CO2 یکی از محبوب ترین لیزرهای تاریخ برای چنین کاربردهایی بودند، اما اکنون تعداد فزاینده ای از سیستم های لیزر حالت جامد وجود دارد که می توانند برای تولید توان کافی با پمپ دیودی تولید شوند. لیزرهای فیبر می توانند این کار را به روشی نسبتاً کم مصرف انجام دهند و همچنین اندازه نقطه خروجی محدود با پراش تولید کنند.

پیشرفت‌های لیزر پرتوان  همچنین به امکانات جدید تولید منجر شده است، با استفاده از چنین سیستم‌های لیزری برای کاربردهای جوشکاری و برش. حتی برای محیط‌های کمتر شدید مانند استفاده از لیزر برای برداشتن تومورها یا برای جراحی چشم، لیزرهای فمتوثانیه پرقدرت اغلب ابزار انتخابی هستند.

گروه آموزشی مهندس شکوفه ساتری

لیزرهای فمتوثانیه می توانند ذخیره سازی طولانی مدت داده را فعال کنند

حجم روزافزون داده‌ای که در عصر دیجیتال انباشته می‌شود، نیازمند تکنیک‌های ذخیره‌سازی جدید است که عمر طولانی، انرژی کارآمد و کاربردی دارند. محققان بریتانیایی فکر می‌کنند که با استفاده از پلاریزاسیون پالس‌های لیزر فمتوثانیه‌ای برای جهت‌دهی ساختارهای نانو اندازه در صفحات شیشه‌ای، احتمالاً پاسخ را یافته‌اند.

افزایش بهره وری انرژی

مراکز داده امروزه از فناوری‌های مختلفی برای پاسخگویی به نیازهای فزاینده ذخیره‌سازی استفاده می‌کنند، اما هر کدام محدودیت‌هایی دارند. هارد دیسک‌ها انرژی زیادی مصرف می‌کنند و معمولاً فقط چند سال دوام می‌آورند، در حالی که نوارهای مغناطیسی برای استفاده روزمره بسیار کند هستند. دیسک های نوری معمولی مانند سی دی و دی وی دی نیز بسیار کند هستند و همچنین طول عمر محدودی دارند.

در جدیدترین کار، پیتر کازانسکی و همکارانش در دانشگاه ساوتهمپتون، بریتانیا، دستگاهی با طول عمر بالقوه نامحدود پیشنهاد کردند که از پالس های یک منبع لیزر فمتوثانیه برای ذخیره داده ها در یک تکه شیشه سیلیسی در پنج بعد (سه بعد فضایی) استفاده می کند. و همچنین دو پارامتری که انکسار دوگانه سیلیس را مشخص می کند. نوشتن بر روی دستگاه شامل تعدیل قطبش و شدت لیزر است تا داده ها از طریق جهت گیری محور آهسته و عقب ماندگی (تفاوت مسیر نوری بین دو قطبش متعامد) ساختارهای نانومتری در سیلیس رمزگذاری شود.

گروه ساوتهمپتون قبلاً نشان داده است که این تکنیک اصولاً می تواند کار کند، اما به دلیل نیاز به چندین عکس لیزری برای ایجاد یک نانوساختار منفرد با مشکل مواجه شده است. نوشتن سریع داده ها مستلزم آن است که لیزر با سرعت تکرار بالا کار کند، اما فراتر از یک نرخ مشخص، این فرآیند گرمای زیادی تولید می کند و داده ها نمی توانند به طور دقیق رمزگذاری شوند.

کازانسکی و همکارانش اکنون نشان داده اند که چگونه می توان این مشکل را با افزایش بهره وری انرژی فرآیند نوشتن به حداقل رساند. آنها این کار را با تقسیم این فرآیند به دو مرحله انجام دادند. اول، آنها از یک یا چند پالس لیزری با انرژی نسبتاً بالا برای ایجاد یک انفجار کوچک استفاده می کنند که یک فضای خالی دایره ای یکنواخت در حدود 130 نانومتر در سراسر سیلیس ایجاد می کند. آنها سپس از چندین پالس «نوشتن» با انرژی کمتر استفاده می‌کنند تا آن فضای خالی را حدود ضریب پنج در زوایای قائم به محور قطبش نور طویل کنند - و بنابراین داده‌ها را رمزگذاری می‌کنند.

آنها توانستند انرژی پالس های نوشتاری را با بهره برداری از پدیده افزایش میدان نزدیک کاهش دهند. میدان الکتریکی تولید شده توسط این پالس ها در لبه فضای خالی ایجاد شده توسط پالس های کاشت، در صفحه عمود بر قطبش پالس ها تقویت می شود. این میدان تقویت شده سیلیس را یونیزه می کند و در نتیجه نقطه داده یا "voxel" را می نویسد.

نوشتن با سرعت نور

برای نشان دادن اینکه چگونه می‌توان از این تکنیک برای ذخیره داده‌ها در عمل استفاده کرد، محققان از لیزری با طول موج 515 نانومتر و نرخ تکرار 10 مگاهرتز استفاده کردند که روی صفحه سیلیسی با قطر 120 میلی‌متر با استفاده از یک منحرف کننده آکوستو-اپتیک اسکن کردند. هر وکسل به یک پالس بذری و چهار یا هفت پالس نوشتاری نیاز داشت، بسته به اینکه کدام یک از دو سطح عقب ماندگی برای رمزگذاری آن وکسل خاص مورد نیاز است.

با هشت قطبش احتمالی - مربوط به هشت جهت محور آهسته خاص - برای هر یک از دو سطح عقب ماندگی، هر وکسل را می توان در هر یک از 16 پیکربندی ممکن قرار داد و بنابراین چهار بیت باینری را در خود جای داد. با اسکن با سرعت 1 میلیون وکسل در ثانیه، آنها توانستند 5 گیگابایت داده را در 50 لایه با ضخامت 2.4 میلی متری دیسک در مدت پنج ساعت بنویسند. آنها سپس دریافتند که می توانند داده ها را با دقت "تقریبا 100٪" بازخوانی کنند.

پیشرفت های آینده

کازانسکی و همکارانش می گویند که سرعت نوشتن را می توان با افزایش سرعت تکرار تا 50 مگاهرتز به مگابایت در ثانیه افزایش داد. آن‌ها همچنین فکر می‌کنند با افزایش تعداد جهت‌گیری‌های محور آهسته و کاهش اندازه دستگاه، می‌توان تعداد بیت‌ها را در هر وکسل دو برابر کرد، به طوری که وکسل‌ها فقط 0.2 میکرومتر از هم فاصله داشته باشند و لایه‌های مجاور فقط با 3 میکرومتر از هم جدا شوند. آنها می گویند در این صورت، یک صفحه شیشه ای با ضخامت 4 میلی متر به قطر 127 میلی متر می تواند حدود 500 ترابایت داده را ذخیره کند.

محققان خاطرنشان می کنند که یک نقطه ضعف قابل توجه در طرح فعلی آنها وجود دارد - سرعت خواندن. سیستم تصویربرداری با کنترل دستی آنها خواندن را به سرعت یخبندان تنها چند بایت در ثانیه محدود می کرد. اما آن‌ها مطمئن هستند که این یک نشان‌دهنده نیست و استدلال می‌کنند که با استفاده از تصویربرداری قطبش خودکار و الگوریتم‌های رمزگشایی قدرتمندتر می‌توانند سرعت را به ده‌ها مگابایت در ثانیه افزایش دهند.

جشن 60 سالگی لیزر

این ماه شصتمین سالگرد اختراع لیزر است. در اینجا، ما به چند مورد از پیشرفت های متعدد یک فناوری که زندگی ما را متحول کرده است، اشاره می کنیم. برای جشن گرفتن، ویراستاران ما مجموعه‌ای از مقالات منتشر شده در Communications Physics را انتخاب کرده‌اند که نفس تحقیقات و کاربردها در این زمینه را به نمایش می‌گذارد.

اولین لیزر در 16 می 1960 توسط تئودور میمن از آزمایشگاه تحقیقاتی هیوز در مالیبو (ایالات متحده آمریکا) انجام شد. دستگاه او یک نقطه قرمز روشن را روی یک آشکارساز عکس پرتاب کرد و اولین نمایش تجربی یک لیزر کار (یاقوت) و اولین منبع نور منسجم ساخته دست بشر را ارائه داد. نتایج به صورت یادداشتی مختصر در مجله Nature در آگوست 1960 منتشر شد. این آزمایش بر اساس مبانی نظری ایجاد شده توسط چارلز هارد تاونز و آرتور لئونارد شاولو ساخته شد که به نوبه خود از کار نظری انیشتین در مورد گسیل نور تحریک شده الهام گرفته شد.

شصت سال بعد، لیزرها در زندگی روزمره ما همه جا حاضر هستند، از تشخیص چهره در گوشی های هوشمند گرفته تا دستگاه های برش لیزری و جوشکاری، به ویژه در صنعت نیمه هادی ها، از جراحی لیزر گرفته تا نمایش های سرگرمی سبک، فقط چند مورد را نام ببریم. لیزرها ارتباطات و اندازه‌گیری‌های با دقت بالا را با کاربردهایی در تحقیقات، بیمارستان‌ها، کارخانه‌ها، ادارات، ارتش و خانه‌های ما متحول کرده‌اند.

در حالی که اولین استفاده تجاری روزمره از لیزرها یک اسکنر بارکد سوپرمارکت در سال 1974 بود، امروزه تصور دنیایی بدون فناوری لیزر بسیار چالش برانگیز است، هرچند غیرممکن نیست. در واقع، امروزه سفر، خرید، تولید، جراحی و تحقیق بدون آن بسیار متفاوت خواهد بود. در حالی که اکثر مردم کلمه لیزر را می‌دانند و حداقل آن را با چیزی در زندگی روزمره خود مرتبط می‌دانند، شاید تعداد زیادی از مردم نمی‌دانند که لیزر مخفف کلمه تقویت نور توسط انتشار تشعشعات تحریک‌شده است.

در تحقیقات و کاربردهای تجاری بعدی، لیزرها در طیف وسیعی از فرکانس ها عمل می کنند و انواع مختلفی از اصول تقویت را اتخاذ می کنند، از لیزرهای گازی، اگزایمرها و لیزرهای شیمیایی گرفته تا لیزرهای حالت جامد. شاید شناخته شده ترین لیزر حالت جامد Ti:Sapphire باشد که به عنوان لیزر قفل شده برای تولید پالس های فوق کوتاه با قدرت بالا نیز استفاده می شود که به نوبه خود پایه و اساس ارتباطات لیزری و لیزرهای فمتوثانیه را فراهم می کند. لیزرهای حالت جامد به لیزرهای فیبر نوری تبدیل شده‌اند که اغلب از یون‌های اربیوم یا ایتربیوم به عنوان گونه‌های فعال استفاده می‌کنند. همه این پیشرفت‌ها جوایز متعددی از جمله چندین جایزه نوبل را به خود اختصاص داده‌اند و توجه قابل توجهی را برای کاربردهای تجاری به خود جلب کرده‌اند و صنعت میلیون‌ها دلار را ایجاد کرده‌اند.

فرسایش بافت استخوانی با لیزر فمتوثانیه

خلاصه

لیزرهای فمتوثانیه به دلیل توانایی آنها در به حداقل رساندن بارهای حرارتی وارد شده به مواد تابیده شده، امکان فرسایش با دقت بالا و با کیفیت بالا را از بافت های بیولوژیکی فراهم می کند. با این وجود، نرخ‌های فرسایش گزارش‌شده هنوز برای امکان بهره‌برداری از آنها در سطح بالینی بسیار محدود است. این مطالعه امکان ارتقاء فرآیند فرسایش بافت استخوانی با لیزر FS را با استفاده از منابع لیزری FS صنعتی در دسترس را نشان می‌دهد. یک مطالعه پارامتریک جامع به منظور بهینه‌سازی سرعت فرسایش بافت استخوانی در عین حفظ سلامت بافت با اجتناب از بارهای حرارتی بیش از حد ارائه شده است. سه رژیم جذب مختلف با استفاده از منابع لیزر fs در 1030 نانومتر، 515 نانومتر و 343 نانومتر بررسی می‌شوند. تفاوت های اصلی در سه رژیم طول موج مختلف با مقایسه تکامل نرخ فرسایش و درجه کلسیناسیون بافت فرسایش شده با لیزر مورد بحث قرار می گیرد. حداکثر سرعت فرسایش در رژیم جذب قابل مشاهده است که در آن حداکثر مقدار 0.66 میلی متر مکعب بر ثانیه بر روی یک بافت غیر کلسینه شده برای کمترین میزان تکرار لیزر و کمترین همپوشانی فضایی بین پالس های لیزری متوالی به دست می آید. در این رژیم، هموگلوبین موجود در بافت استخوان تازه، کروموفور اصلی درگیر در فرآیند جذب است. تا جایی که ما می دانیم، این بالاترین نرخ فرسایش است که روی استخوان ران خوک با فرسایش لیزری fs به دست آمده است.

واژه‌های کلیدی: فرسایش بافت استخوانی. لیزر فمتوثانیه; افزایش مقیاس فرآیند

لیزرهای فمتوثانیه برای جراحی بافت استخوانی با وضوح بالا

در دهه گذشته، لیزر به ابزار انتخابی برای جراحی های بافت نسل بعدی تبدیل شده است. لیزرهای فمتوثانیه به لطف خواص منحصر به فرد خود، در حال حاضر برای جراحی بافت استخوانی با وضوح بالا در نظر گرفته می شوند که در طی آن باید از آسیب های حرارتی ناشی از لیزر برای بهبود کیفیت و مدت زمان بهبودی با دقت اجتناب شود.

Gemini مطالعه جامعی را ارائه می دهد که برای پیشبرد آمادگی این فناوری با بهینه سازی پارامترهای فرآیند همراه با توسعه ابزارهای تشخیصی مناسب انجام شده است. حداکثر کردن نرخ فرسایش روی استخوان ران گوشت خوک در رژیم فمتوثانیه در یک رویکرد افزایش مقیاس با استفاده از منابع لیزر فمتوثانیه صنعتی به دست آمد. برای پیگیری دقیق دمای بافت استخوان در طول و بعد از پردازش لیزر، از تصویربرداری دوربین FLIR و حسگرهای ترموکوپل برای به دست آوردن تکامل توزیع دما بر روی بافت با توجه به تغییرات پارامترهای مختلف فرآیند و همچنین لیزر استفاده شد. تغییرات شیمیایی ناشی از

نتایج این مطالعه نشان می‌دهد که پردازش لیزر فمتوثانیه بافت استخوان در یک محیط اسپری آب تحت فشار اجازه می‌دهد به دمایی کمتر از دمای دناتوره شدن پروتئین استخوان برسد. علاوه بر این، Gemini توضیح می‌دهد که چگونه طیف‌سنجی شکست ناشی از لیزر (LIBS) تغییرات شیمیایی ناشی از لیزر بافت را با دمای آن و پارامترهای پردازش اعمال شده تجزیه و تحلیل می‌کند. نتایج این بخش از مطالعه نشان می‌دهد که LIBS یک تکنیک قابل اعتماد و مفید برای پایش بلادرنگ وضعیت استخوان در حین فرسایش لیزری است و می‌تواند در چارچوب اتوماسیون نهایی جراحی‌های استخوان با پردازش لیزر فمتوثانیه اجرا شود.

ترجمه با مهندس شکوفه ساتری

طیف سنجی بالینی چند کنتراست

میکروسکوپ کانفوکال با وضوح فوق العاده کوانتومی

تجزیه و تحلیل کمی از اندامهای دست نخورده با استفاده از میکروسکوپ تطبیقی ​​با ورق نوری

یادگیری عمیق میکروسکوپ نوری را پیشرفت می دهد

پلتفرم طیف سنجی نوری عملکردی Point-of-Care برای کمیابی دقیق متابولیسم تومور داخل بدن و عروق در حیوانات کوچک

تصویربرداری چند حالته: تصویربرداری فتوآکوستیک و موارد دیگر

تصویربرداری نوری چند حالته بدون برچسب In Vivo از مغز موش

تکنیک های پیشرفته اپتوآکوستیک و فلورسانس برای تصویربرداری مقیاس پذیر غیر تهاجمی از مغز پستانداران

طیف سنجی رامان  COVID-19 را به سرعت تشخیص می دهد

توموگرافی انسجام نوری کامل میدان

فیلترهای نوری درجه یک: چالش ها و راه حل های بهینه سازی تجزیه و تحلیل فلورسانس

OCT دو محور برای تشخیص

استقرار بالینی فناوری بستر برای شناسایی طیف سنجی بیماری ها

پیشرفت OCT ترجمه ای برای ارزیابی پویایی پرده گوش و عفونت گوش میانی

رابط های عصبی اپتوالکترونیکی نرم و زیست سازگار

فشار دادن محدودیت سرعت تصویربرداری در میکروسکوپ چندگانه

روشهای جدید تقویت تکثیر برای تشخیص ویروسها

لیزرهای فمتوثانیه برای جراحی بافت استخوان با وضوح بالا

علوم اعصاب در دنیای روزمره

تصویربرداری فتوآکوستیک مبتنی بر LED: از نیمکت تا کنار تخت

گسترش قابلیت ها با تصویربرداری کانفوکال NIR بهینه شده

لیزر در دندانپزشکی: گذشته ، حال و آینده

سنسورهای بیومارکر پروتئینی کم هزینه و فشرده بر اساس میکروسکوپ بدون لنز

تغییر شکل بافت شناسی با یادگیری عمیق

SESORS برای تصویربرداری پیش بالینی سرطان

ساده سازی میکروسکوپ فلورسانس با استفاده از فناوری لیزر نسل بعدی

فلوسیتومتری: راه طولانی را طی کنید ، کارهای زیادی باقی مانده است

راه حل های فیبر نوری برای تجهیزات پزشکی

لیزرهای فمتوثانیه در چشم پزشکی

بررسی اجمالی

استفاده از لیزر فمتوسکند در جراحی چشم طی دهه گذشته منجر به توسعه روشهای نوآورانه شده است. پالس های لیزر مادون قرمز فوق العاده کوتاه لیزر فمتوسکند را می توان به طور دقیق و قابل پیش بینی با حداقل آسیب بافتی جانبی اعمال کرد ، و آن را به ابزاری ایده آل برای جراحی چشم بسیار دقیق تبدیل می کند. ایجاد فلپ در لیزر در situkeratomileusis (LASIK) رایج ترین کاربرد این لیزر است. همچنین می تواند برای سایر روش های انکساری قرنیه ، پیوند قرنیه با لایه لایه ای و تمام ضخامت و جراحی آب مروارید استفاده شود. این مقاله خلاصه ای از کاربرد پیشرفته اخیر فناوری لیزر فمتوسکند در چشم پزشکی است.