لیزر فمتوثانیه

لیزر فمتوثانیه لیزری است که پالس های نوری با مدت زمان بسیار کمتر از 1 ps (← پالس های فوق کوتاه)، یعنی در حوزه فمتوثانیه (1 fs = 10-15 اینچ) ساطع می کند. بنابراین همچنین به دسته لیزرهای فوق سریع یا لیزرهای پالس فوق کوتاه (که شامل لیزرهای پیکوثانیه نیز می شود) تعلق دارد.

تولید چنین پالس های نوری کوتاه (زیر پیکوثانیه) تقریباً همیشه با تکنیک قفل کردن حالت غیرفعال به دست می آید. این منجر به پالس هایی با انرژی پالس متوسط (اغلب در ناحیه نانوژول) و نرخ های تکرار پالس بالا در ناحیه مگاهرتز یا گیگاهرتز می شود. انرژی های پالس بسیار بالاتر (در نرخ های تکرار کمتر) با استفاده از نوعی سیستم تقویت کننده نوری (← تقویت کننده های فوق سریع) علاوه بر لیزر فمتوثانیه امکان پذیر است.

انواع لیزر بر اساس مدت زمان پالس

انواع لیزر بر اساس مدت زمان پالس

لیزرهای پالسی بر اساس مدت زمان پالس آنها به چند دسته تقسیم می شوند.

یک مدولاتور برای کنترل تعداد پالس ها در ثانیه استفاده می شود. در نتیجه، هر پالس دارای مدت زمان دقیقی است که به آن طول پالس، طول پالس یا عرض پالس می گویند. مدت زمان پالس زمان بین شروع و پایان یک نبض است.

چندین روش تعدیل کننده برای پالس پرتوهای لیزر استفاده می شود: سوئیچینگ q، سوئیچینگ بهره و قفل حالت چند نمونه هستند. هرچه نبض کوتاهتر باشد، پیک های انرژی بیشتر می شود. در اینجا رایج ترین واحدهای مورد استفاده برای بیان مدت زمان پالس هستند.

میلی‌ثانیه‌ها (یک هزارم ثانیه) طولانی‌ترین واحدهای زمانی هستند که برای بیان مدت پالس استفاده می‌شوند و از این رو کمترین پیک انرژی را دارند. به عنوان مثال، پالس های لیزر موهای زائد ممکن است بسته به ضخامت مو بین 5 تا 60 میلی ثانیه متفاوت باشد.

میکروثانیه ها (یک میلیونیم ثانیه) احتمالاً کمترین مدت زمان پالس هستند. آنها می توانند برای کاربردهای پردازش مواد استفاده شوند، اما مدت زمان پالس زیر معمولاً استفاده می شود، زیرا دقت بیشتری ارائه می دهند. لیزرهای میکروثانیه همچنین می توانند برای کاربردهایی مانند طیف سنجی و حذف موهای زائد استفاده شوند.

نانوثانیه (یک میلیاردم ثانیه) مدت زمان پالس بسیار رایجی است که برای کاربردهایی مانند پردازش مواد لیزری، اندازه‌گیری فاصله و سنجش از دور استفاده می‌شود. برای مثال Laserax از لیزرهای فیبر نانوثانیه برای انجام علامت گذاری لیزری، تمیز کردن، بافت و حکاکی استفاده می کند.

پیکوثانیه (یک تریلیونم ثانیه) و فمتوثانیه (یک کوادریلیوم ثانیه) کوتاه ترین مدت زمان پالس هستند، به همین دلیل است که از اصطلاحات پالس های فوق کوتاه و لیزرهای فوق سریع استفاده می شود. این لیزرها دقیق ترین نتایج را ارائه می دهند و کمترین مناطق تحت تأثیر حرارت را دارند. این امر از ذوب نامطلوب جلوگیری می کند و امکان حکاکی بسیار دقیق را فراهم می کند. آنها در پردازش مواد، پزشکی (مانند جراحی چشم)، میکروسکوپ، اندازه‌گیری و مخابرات استفاده می‌شوند.

لیزرهای پالس فمتوثانیه

معرفی لیزرهای پالس فمتوثانیه روش های جدید متعددی را برای آنالیزهای تشخیصی غیر مخرب نمونه های بیولوژیکی ارائه کرده است. این کتاب اولین کتابی است که درمان متمرکز و سیستماتیک روش‌های بیوفوتونیک فمتوثانیه را ارائه می‌کند. هر فصل تئوری، عمل و کاربردها را ترکیب می کند و خواننده را از طریق تکنیک های تصویربرداری، دستکاری و ساخت راهنمایی می کند. با توضیح میکروسکوپ غیرخطی و چند فوتونی، فصل‌های بعدی به تکنیک‌های به دام انداختن نوری و توسعه موچین‌های لیزری می‌پردازند. در نتیجه‌گیری که موضوعات مختلف کتاب را گرد هم می‌آورد، نویسندگان در مورد زمینه رو به رشد میکرو مهندسی فمتوثانیه بحث می‌کنند. طیف گسترده ای از کاربردهای بیوفوتونیک فمتوثانیه به این معنی است که این کتاب برای محققان و پزشکان در زمینه های مهندسی پزشکی، بیوفیزیک، علوم زیستی و پزشکی جذاب خواهد بود.

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 پرتوان

لیزرهای پرتوان

یکی از حوزه هایی که لیزرهای پرتوان  امکانات علمی جدید را به واقعیت تبدیل کرده اند، همجوشی است. اخیراً 10 کوادریلیون وات توان همجوشی برای اولین بار در مرکز احتراق ملی واقع در آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور تولید شد. در حالی که این توان تنها برای کسری از ثانیه تولید می‌شد، این مقدار توان تقریباً 700 برابر مقدار تولید شده توسط شبکه برق ایالات متحده است.

منبع لیزری مورد نیاز برای انجام این کار یک منبع 500 TW 0.35 میکرومتری است که به خطوط پرتوی متعدد تقسیم می شود تا به طور همزمان یک نمونه سوخت را تابش کند. سپس فروپاشی سوخت به گونه‌ای طراحی می‌شود که فرآیندهای همجوشی بسیار پرانرژی را آغاز کند. تأسیسات احتراق ملی تنها منبع لیزری نیست که چنین پرتوهای شدیدی را تولید می‌کند، با چندین منبع پتاوات و اگزوات در سرتاسر جهان موجود است.

در حالی که تقویت پالس چیرپ امکان تولید توان های لحظه ای از محدوده مگاوات تا گیگاوات را فراهم می کند، دستیابی به بالاتر از این نیاز به اصلاح پالس های پارامتریک نوری (OPCPA) به عنوان یک فناوری برای ارائه انرژی های پیک بالا و متوسط ​​پالس دارد.

بسیاری از منابع لیزر فیوژن به تولید پالس بسیار کوتاه (فمتوثانیه) به عنوان راهی برای دستیابی به اوج قدرت فوق‌العاده بالا به دلیل مدت زمان کوتاه‌تر پالس‌های مورد نیاز برای راه‌اندازی فرآیندهای همجوشی متکی هستند.

جزوه لیزر حالت جامد

توضیحات کتاب

به دلیل ویژگی های مطلوب لیزرهای حالت جامد، آنها تبدیل به نامزدهای مورد نظر برای طیف گسترده ای از برنامه های کاربردی در علوم و فناوری، از جمله طیف سنجی، نظارت بر اتمسفری، Micromachining، و مترولوژی دقیق شده اند. ارائه تازه ترین تحولات در زمینه، لیزر و برنامه های جامد حالت متمرکز بر طراحی و برنامه های کاربردی سیستم های لیزر جامد است.

این کتاب با مشارکت از کارشناسان برجسته بین المللی، این کتاب به بررسی آخرین نتایج تحقیقاتی و کاربردهای لیزر حالت جامد و همچنین سیستم های لیزر مختلف می پردازد. فصل های آغازین بحث های فعلی و کاربرد رسانه های جدید پیشرفته حالت جامد در مناطق مختلف طول موج را مورد بحث قرار می دهند، از جمله لیزر های دوپینگ سریم در محدوده ماوراء بنفش، لیزرهای یتربیم در نزدیکی 1 میکرومتر، لیزر های دوپینگ یونی خاکی در منطقه ایمن چشم، و قابل تنظیم CR2 +: لیزر Znse در محدوده مادون قرمز. فصل های باقی مانده، حالت های خاصی از عملکرد سیستم های لیزر حالت جامد را مطالعه می کنند، مانند لیزر میکروچال پالس، لیزر های نئودیمیم با قدرت بالا، لیزر های حالت جامد فوق العاده ایالتی، تقویت پالس های فمتوثانیه  با تقویت کننده های پارامتری نوری و ویژگی های نویز لیزرهای حالت جامد .

لیزر و برنامه های کاربردی حالت جامد، مهمترین جنبه های این زمینه را پوشش می دهد تا پوشش جامع، پوشش جامع لیزرهای حالت جامد را فراهم کند.

فهرست مطالب

مقدمه لیزر microchip microchip به طور انحصاری Q-switched. لیزر و مواد جامد حالت جامد Yb. قابل تنظیم CR2 +: لیزر Znse در مادون قرمز. تمام لیزرهای سرامیک فوق العاده ایالتی. لیزر حالت جامد زمین نادر زمین. لیزر نئودیمیوم با قدرت بالا. لیزر فوق العاده: فناوری و برنامه های کاربردی. لیزر لیزر لیزر Femtosecond Multipass-Cavity Multipass-Cavity-Dumped Femtosecond Laser Oscillator و برنامه کاربردی به نوشتن موجبر. تکنولوژی لیزر حالت جامد برای مترولوژی فرکانس نوری. تقویت کننده های پارامتری نوری اپتیکال فوق العاده حالت جامد. سر و صدا لیزرهای حالت جامد. فهرست مطالب.

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.

لیزرهای فمتوثانیه برای جراحی ارتوپدی با دقت بالا

خلاصه

ریزماشین لیزری با پالس های فوق کوتاه نویدبخش درمان جراحی تمیز و ایمن بافت استخوانی است. با این حال، مقایسه عملکرد و توسعه "بهترین عملکرد" ​​به دلیل دشواری مقایسه نتایج در طیف گسترده ای از رویکردهای تجربی و تحت شرایط جراحی نامربوط (به عنوان مثال، استخوان خشک شده، مرده) با مشکل مواجه شده است. با استفاده از یک سیستم لیزر پالسی فمتوثانیه (fs) (τ = 140 fs، نرخ تکرار = 1 کیلوهرتز، λ = 800 نانومتر)، مطالعه جامع میکروجراحی لیزر فمتوثانیه با استفاده از معیارهای استاندارد میکروماشین کاری لیزر (آستانه فرسایش، اثرات انکوباسیون، نرخ فرسایش اثر عمق نقطه کانونی در منطقه متاثر از مواد و حرارت (HAZ)) بر روی استخوان قشر مغز گاو و گوسفند زنده، تازه برداشت شده انجام شد. سه نقطه مهم خوش‌بینی برای اجرای آینده در سالن جراحی شناسایی شد: (1) حذف مواد نسبتاً نسبتاً غیر حساس به عمق نقطه کانونی در مواد است، و نیاز به دقت در عمق بسیار زیاد برای اجرای عالی را از بین می‌برد. (2) فرسایش لیزر فمتوثانیه استخوان تازه اثر انکوباسیون بسیار کمی را نشان می دهد، به طوری که عبورهای متعدد لیزر بر روی همان ناحیه از استخوان، مقدار یکسانی از مواد را حذف می کند. و (3) فقدان کامل آسیب جانبی، ناشی از گرما یا شوک، در هر دو مقیاس ماکرو و میکروسکوپی را می توان به آسانی در یک محدوده پارامتری وسیع به دست آورد. روی هم رفته، این نتایج نشان می‌دهد که یک پلت‌فرم لیزر فیبر مستقر دستی یا روباتیک برای میکروسرجری لیزری فمتوثانیه یک چشم‌انداز بسیار مناسب است.

کلیدواژه: میکروسرجری فمتوثانیه; فرسایش لیزری؛ ریزماشین کاری لیزری؛ عمل جراحی ارتوپدی؛ ریزماشین کاری لیزری فوق سریع

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.