الٹرا فاسٹ لیزرز کی منفرد خصوصیات
الٹرا فاسٹ لیزرز کے انتہائی مختصر نبض کے دورانیے ان سسٹمز کو منفرد خصوصیات دیتے ہیں جو انہیں لمبی پلس یا مسلسل لہر (CW) لیزرز سے ممتاز کرتی ہیں۔ اس طرح کی مختصر دالیں پیدا کرنے کے لیے، ایک وسیع سپیکٹرل بینڈوتھ کی ضرورت ہوتی ہے۔ نبض کی شکل اور مرکز طول موج ایک مخصوص مدت کی نبض پیدا کرنے کے لیے درکار کم از کم بینڈوتھ کا تعین کرتی ہے۔ عام طور پر، اس تعلق کو ٹائم بینڈوڈتھ پروڈکٹ (TBP) کے ذریعے بیان کیا جاتا ہے، جو کہ غیر یقینی کے اصول سے اخذ کیا گیا ہے۔ گاؤشیائی تقسیم شدہ نبض کی ٹی بی پی کی طرف سے دیا جاتا ہے.
ٹی بی پی گیسین٪7b٪7b٪7b1٪7d٪7d٪7d٪7d٪7d٪7d٪ c٪94٪ cf٪84٪ c٪94٪ c٪ b٪ e2٪ 89٪ 880.441
Δτ نبض کا دورانیہ ہے اور Δv تعدد بینڈوتھ ہے۔ بنیادی طور پر، مساوات سے پتہ چلتا ہے کہ سپیکٹرل بینڈوڈتھ اور نبض کی مدت کے درمیان ایک الٹا تعلق ہے، جس کا مطلب ہے کہ جیسے جیسے نبض کا دورانیہ کم ہوتا ہے، اس نبض کو پیدا کرنے کے لیے درکار بینڈوتھ بڑھ جاتی ہے۔ شکل 1 مختلف نبض کے دورانیے کو سپورٹ کرنے کے لیے درکار کم از کم بینڈوتھ کی وضاحت کرتا ہے۔
شکل 1: 10 پی ایس (سبز)، 500 ایف ایس (نیلے) اور 50 ایف ایس (سرخ) لیزر پلس کو سپورٹ کرنے کے لیے کم از کم سپیکٹرل بینڈوتھ درکار ہے
شکل 2: نبض کی مدت کے ساتھ لیزر کے لیے اوسط پاور Pavg اور چوٹی کی طاقت Ppeak کی عکاسی
الٹرا فاسٹ لیزرز کے تکنیکی چیلنجز
آپ کے سسٹم میں الٹرا فاسٹ لیزرز کی وسیع اسپیکٹرل بینڈوتھ، اعلیٰ چوٹی کی طاقت اور نبض کی مختصر مدت کا مناسب طریقے سے انتظام ہونا چاہیے۔ اکثر، حل کرنے کے لیے ان چیلنجوں میں سے ایک آسان ترین لیزر کا وسیع اسپیکٹرم آؤٹ پٹ ہے۔ اگر آپ نے ماضی میں بنیادی طور پر طویل پلسڈ یا مسلسل ویو لیزرز استعمال کیے ہیں، تو آپ کی آپٹکس کی موجودہ انوینٹری الٹرا فاسٹ دالوں کی مکمل بینڈوتھ کو منعکس کرنے یا منتقل کرنے کے قابل نہیں ہوسکتی ہے۔
لیزر ڈیمیج تھریشولڈ
الٹرا فاسٹ آپٹکس میں بھی زیادہ روایتی لیزر ذرائع (شکل 3) سے نمایاں طور پر مختلف اور نیویگیٹ کرنے میں زیادہ مشکل لیزر ڈیمیج تھریشولڈ (LDT) ہے۔ نینو سیکنڈ پلسڈ لیزرز کے لیے آپٹکس فراہم کرتے وقت، LDT قدریں عام طور پر 5-10 J/cm2 کے آرڈر پر ہوتی ہیں۔ الٹرا فاسٹ آپٹکس کے لیے، اس طول و عرض کی قدروں کو عملی طور پر سنا نہیں جاتا، کیونکہ LDT قدروں کے ترتیب پر ہونے کا امکان زیادہ ہوتا ہے۔<1 J/cm2, usually closer to 0.3 J/cm2.
مختلف نبض کے دورانیے کے لیے ایل ڈی ٹی کے طول و عرض میں نمایاں تبدیلی نبض کی مدت پر مبنی لیزر کے نقصان کے طریقہ کار کا نتیجہ ہے۔ نینو سیکنڈ لیزرز یا لمبی پلسڈ لیزرز کے لیے، نقصان کا باعث بننے والا بنیادی طریقہ کار تھرمل ہیٹنگ ہے۔ آپٹکس کی کوٹنگ اور سبسٹریٹ مواد واقعہ فوٹوون کو جذب کرتے ہیں اور گرم ہوجاتے ہیں۔ یہ مواد کی جالی کے مسخ کا باعث بن سکتا ہے۔ تھرمل ایکسپینشن، کریکنگ، پگھلنے اور جالیوں کا تناؤ جیسے اثرات اس قسم کے لیزر ذرائع کے لیے عام تھرمل نقصان کے طریقہ کار ہیں۔
شکل 3: آپٹیکل سطحوں کو لیزر کا نقصان، جیسا کہ یہاں دکھایا گیا ہے، لیزر سسٹم کی کارکردگی کو کم کر سکتا ہے، اسے بیکار یا خطرناک بھی بنا سکتا ہے۔ نبض کی مختصر مدت کی وجہ سے، الٹرا فاسٹ لیزرز استعمال کرتے وقت نقصان کا طریقہ کار طویل پلس لیزر استعمال کرنے والوں سے نمایاں طور پر مختلف ہوتا ہے۔
تاہم، الٹرا فاسٹ لیزرز کے ساتھ، نبض کا دورانیہ خود لیزر سے مادی جالیوں میں حرارت کی منتقلی کے وقت کے پیمانے سے زیادہ تیز ہوتا ہے، اور اس وجہ سے تھرمل اثرات لیزر سے ہونے والے نقصان کی بنیادی وجہ نہیں ہیں (شکل 4)۔ اس کے بجائے، الٹرا فاسٹ لیزر کی چوٹی کی طاقت نقصان کے طریقہ کار کو غیر خطی عمل جیسے کہ ملٹی فوٹون جذب اور آئنائزیشن میں تبدیل کرتی ہے۔ یہی وجہ ہے کہ نینو سیکنڈ پلس کی ایل ڈی ٹی کی درجہ بندی کو الٹرا فاسٹ پلس کے برابر کرنا ممکن نہیں ہے، کیونکہ نقصان کے جسمانی میکانزم مختلف ہیں۔ لہذا، استعمال کی انہی شرائط کے تحت (مثلاً طول موج، نبض کا دورانیہ، اور تکرار کی فریکوئنسی)، کافی زیادہ LDT ریٹنگ والا آپٹک آپ کے مخصوص اطلاق کے لیے بہترین آپٹک ہوگا۔ مختلف حالات میں آزمائے گئے آپٹکس سسٹم میں ایک ہی آپٹکس کی اصل کارکردگی کے نمائندہ نہیں ہیں۔
شکل 4: مختلف نبض کے دورانیے کے لیے لیزر کی وجہ سے نقصان کا طریقہ کار
بازی اور نبض کی توسیع: گروپ تاخیر بازی
الٹرا فاسٹ لیزر استعمال کرتے وقت درپیش سب سے مشکل تکنیکی چیلنجوں میں سے ایک لیزر کے ذریعے ابتدائی طور پر خارج ہونے والی الٹرا شارٹ پلس کی مدت کو برقرار رکھنا ہے۔ الٹرا فاسٹ دالیں وقت کی خرابی کے لیے بہت حساس ہوتی ہیں، جس سے نبض لمبی ہوجاتی ہے۔ یہ اثر بدتر ہو جاتا ہے کیونکہ ابتدائی نبض کا دورانیہ مختصر ہو جاتا ہے۔ اگرچہ الٹرا فاسٹ لیزرز 50 سیکنڈ کے دورانیے کے ساتھ نبض کا اخراج کر سکتے ہیں، لیکن یہ ممکن ہے کہ آئینے اور عینک کا استعمال کرتے ہوئے نبض کو ہدف کے مقام تک پہنچانے کے لیے، یا حتیٰ کہ صرف ہوا کے ذریعے نبض کو منتقل کرنے کے لیے پلس کو بڑھایا جائے۔
اس بار کی تحریف کو گروپ ڈیلے ڈسپریشن (GDD) نامی میٹرک کا استعمال کرتے ہوئے مقدار درست کیا جاتا ہے، جسے سیکنڈ آرڈر ڈسپریشن بھی کہا جاتا ہے۔ درحقیقت، اعلیٰ ترتیب والی بازی کی اصطلاحات بھی ہیں جو الٹرا فاسٹ لیزر دالوں کی وقتی تقسیم کو متاثر کر سکتی ہیں، لیکن عملی طور پر یہ عام طور پر GDD کے اثر کو جانچنے کے لیے کافی ہے۔ GDD تعدد پر منحصر قدر ہے جو کسی دیے گئے مواد کی موٹائی کے ساتھ لکیری طور پر پیمانہ ہوتی ہے۔ ٹرانسمیشن آپٹکس جیسے لینس، ونڈو، اور معروضی لینس اسمبلیوں میں عام طور پر مثبت GDD اقدار ہوتی ہیں، جو اس بات کی نشاندہی کرتی ہیں کہ ایک بار نبض کو کمپریس کرنے سے ٹرانسمیشن آپٹکس کو لیزر سسٹم کے ذریعے خارج ہونے والی نبض کے مقابلے میں زیادہ لمبا دورانیہ مل سکتا ہے۔ کم تعدد (یعنی لمبی طول موج) اجزاء زیادہ تعدد (یعنی چھوٹی طول موج) اجزاء سے زیادہ تیزی سے پھیلتے ہیں۔ جیسے جیسے نبض زیادہ سے زیادہ مادے کے ذریعے سفر کرتی ہے، نبض میں طول موج وقت کے ساتھ ساتھ دور اور دور تک پھیلتی رہے گی۔ نبض کے مختصر دورانیے، اور اس لیے وسیع بینڈوتھ کے لیے، یہ اثر مزید بڑھا چڑھا کر پیش کیا جاتا ہے اور نبض کے وقت میں اہم تحریف کا باعث بن سکتا ہے۔
نینو سیکنڈ یا یہاں تک کہ picosecond نبض کے دورانیے والی لمبی دالوں کے لیے، GDD کوئی بڑا مسئلہ نہیں ہے۔ تاہم، چھوٹی فیمٹوسیکنڈ دالوں کے لیے، بیم کے راستے میں N-BK7 کا 10 ملی میٹر موٹا ٹکڑا رکھنے سے بھی 800 nm پر مرکوز 50 fs پلس کو 12 فیصد سے زیادہ وسیع کیا جا سکتا ہے، جو تقریباً دو کھڑکیوں یا فلٹروں کو لگانے کے مترادف ہے۔ بیم کا راستہ.
درخواست پر GDD کا اثر کئی عوامل پر منحصر ہوتا ہے، بشمول ان پٹ پلس کا دورانیہ (τinput)، سینٹر فریکوئنسی (یا طول موج)، اور وہ مواد جس کے ذریعے نبض پھیلتی ہے۔
مساوات (2) واضح طور پر ظاہر کرتی ہے کہ GDD کی اسی قدر کے لیے، ایک چھوٹا نبض کا دورانیہ طویل ان پٹ پلس دورانیے سے زیادہ نمایاں طور پر وسیع ہو جائے گا۔ یہی وجہ ہے کہ نینو سیکنڈ یا پکوسیکنڈ دالوں کے تناظر میں جی ڈی ڈی پر بات نہیں کی جاتی ہے۔ مثال کے طور پر، صرف 20،000 fs2 کا GDD 1ps پلس کو 0.2% تک چوڑا کر سکتا ہے۔ مندرجہ ذیل پیراگراف میں دی گئی مثالیں ظاہر کرتی ہیں کہ یہ 1030 nm پلس کو 1 میٹر سے زیادہ فیوزڈ سلیکا میں پھیلانے کے مترادف ہے۔
کسی مادے کا اضطراری اشاریہ اس کے ذریعے سفر کرنے والی روشنی کی فریکوئنسی پر منحصر ہوتا ہے، اور GDD کا اضطراری اشاریہ پر بھی اسی طرح کا انحصار ہوتا ہے۔ الٹرا فاسٹ سسٹمز کے لیے ٹرانسمیشن اور ریفریکشن آپٹکس کا انتخاب کرتے وقت، فیوزڈ سیلیکا کی اکثر سفارش کی جاتی ہے کیونکہ اس کی مرئی اور قریب اورکت طول موج کی حدود میں سب سے کم GDD قدر ہوتی ہے۔ مثال کے طور پر، فیوزڈ سلیکا کے 1 ملی میٹر کے ذریعے 1030 nm پلس کو پھیلانے سے تقریباً 19 fs2 کا GDD پیدا ہوگا، لیکن اسی طول موج پر، SF11 کا 1 ملی میٹر 125 fs2 سے زیادہ کا GDD پیدا کرے گا، جیسے کہ ریفریکٹیو انڈیکس ڈیٹا بیس .info، اس بات کا تعین کرنے کے لیے ایک مفید وسیلہ ہیں کہ کون سا مواد بیم پاتھ کے انتخاب میں استعمال کے لیے بہترین آپٹکس ہے، اور آپ کا جمع کردہ GDD ایک مفید وسیلہ ہے۔
مثبت GDD اور ٹائم وارپنگ کے اس رجحان کی وجہ سے، خصوصی الٹرا فاسٹ آپٹکس استعمال کرنے کی انتہائی سفارش کی جاتی ہے جو کہ بہت کم یا کوئی اضافی GDD پیدا نہیں کرتے، اس طرح نبض کے دورانیے کے لیے موقع کو کم کرتے ہیں۔
آپ کو کیسے پتہ چلے گا کہ آپ کو نبض کمپریشن کی ضرورت ہے؟
آپ کو کب (دوبارہ) لیزر پلس کو کمپریس کرنے کی ضرورت ہے؟ الٹرا فاسٹ امیجنگ ایپلی کیشنز جیسے کہ ملٹی فوٹون مائیکروسکوپی میں، دھندلی تصاویر اس بات کی نشاندہی کرتی ہیں کہ نبض وقت کے ساتھ پھیل سکتی ہے۔ الٹرا فاسٹ لیزر پروسیسنگ میں، نبض کو کھینچنا کاٹنے کی درستگی اور درستگی کو کم کر سکتا ہے۔ کھینچی ہوئی نبض کا دورانیہ ملٹی فوٹون کے تعامل کے امکان کو کم کرتا ہے، جس سے الٹرا فاسٹ سسٹم کی کارکردگی کم ہوتی ہے۔ اگرچہ ہر صورت حال کے لیے سخت اور فوری اصول فراہم کرنا ممکن نہیں ہے، لیکن درج ذیل مثال کے حسابات اس بات کا تعین کرنے کے لیے کچھ بہترین طریقوں کو ظاہر کرنے میں مدد کرتے ہیں کہ آیا نبض کمپریشن کی ضرورت ہے۔
بیم پاتھ کے ساتھ ملٹی فوٹون مائکروسکوپ سیٹ اپ پر غور کریں جیسا کہ شکل 5 میں دکھایا گیا ہے۔
شکل 5: ملٹی فوٹون مائکروسکوپی کے تجربے میں بیم کے راستے کی اسکیمیٹک مثال
لیزر کے نمونے تک پہنچنے سے پہلے نظام میں موجود تمام عناصر کی GDD شراکت کا خلاصہ کرکے نبض کی توسیع کا پہلا آرڈر کا تخمینہ حاصل کیا جاسکتا ہے۔ آئیے ہم فرض کرتے ہیں کہ بازی میں اہم شراکت دار بیم ایکسپینڈر، ڈائیکروک فلٹرز اور توجہ مرکوز کرنے والے مقصد ہیں۔ ہم سکیننگ آئینے کے اثر کو نظر انداز کر دیں گے کیونکہ وہ عام طور پر کم GDD دھاتی کوٹنگز سے بنے ہوتے ہیں۔ اگر نبض 1030 nm کی طول موج پر مرکوز ہے، تو نظام آسانی سے GDD کے 600 fs2 سے زیادہ کا اضافہ کر سکتا ہے۔
سسٹم میں نبض کو کمپریس کرنے کی ضرورت ہے یا نہیں اس کا انحصار ان پٹ پلس کی مدت اور درخواست کی مخصوص ضروریات پر ہے۔ اگر آپ 150fs پلس کے ساتھ شروع کرتے ہیں، تو آپٹکس کے ذریعے ترسیل کا نبض کی مدت پر نہ ہونے کے برابر اثر پڑے گا۔ تاہم، اگر آپ کی درخواست کے لیے عارضی ریزولوشن کی ضرورت ہے جو صرف 10 fs لیزر پلس سے حاصل کی جاسکتی ہے، تو GDD کی یہ مقدار آپ کی ابتدائی نبض کو تقریباً 167 fs تک پھیلانے کا سبب بنے گی۔ اس صورت میں، recompression کی ضرورت ہے. یہ درست تفصیلات آپ کے مخصوص شہتیر کے راستے اور درخواست پر بہت زیادہ منحصر ہیں۔
الٹرا فاسٹ لیزر ایپلی کیشنز
سپیکٹروسکوپی
سپیکٹروسکوپی اپنے تعارف کے بعد سے الٹرا فاسٹ لیزر لائٹ ذرائع کے استعمال کے اہم علاقوں میں سے ایک رہی ہے۔ نبض کے دورانیے کو فیمٹوسیکنڈز یا حتیٰ کہ ایٹو سیکنڈز تک کم کر کے، طبیعیات، کیمسٹری اور حیاتیات میں متحرک عمل جن کا مشاہدہ کرنا تاریخی طور پر ناممکن تھا اب ممکن ہو گیا ہے۔ اہم عملوں میں سے ایک جوہری حرکت ہے، جس کے مشاہدے نے بنیادی عمل جیسے مالیکیولر وائبریشن، مالیکیولر ڈسوسی ایشن اور فوٹو سنتھیٹک پروٹینز میں توانائی کی منتقلی کی سائنسی تفہیم کو بہتر بنایا ہے۔
بائیو امیجنگ
ہائی پیک پاور والے الٹرا فاسٹ لیزر نان لائنر پروسیسز کو سپورٹ کرتے ہیں اور بایو امیجنگ کے لیے ریزولوشن کو بہتر بناتے ہیں، جیسے ملٹی فوٹون مائیکروسکوپی (تصویر 12)۔ ایک ملٹی فوٹون سسٹم میں، حیاتیاتی میڈیم یا فلوروسینٹ ٹارگٹ سے نان لائنر سگنل پیدا کرنے کے لیے دو فوٹونز کو جگہ اور وقت میں اوورلیپ کرنا چاہیے۔ یہ نان لائنر میکانزم بیک گراؤنڈ فلوروسینس سگنل کو نمایاں طور پر کم کرکے امیجنگ ریزولوشن کو بہتر بناتا ہے جو سنگل فوٹوون کے عمل کے مطالعے کو متاثر کرتا ہے۔ شکل 13 اس آسان سگنل کے پس منظر کی وضاحت کرتا ہے۔ ملٹی فوٹون مائیکروسکوپی کا چھوٹا اتیجیت علاقہ فوٹوٹوکسائٹی کو بھی روکتا ہے اور نمونے کو پہنچنے والے نقصان کو کم کرتا ہے۔
شکل 6: ملٹی فوٹون یا نان لائنر مائیکروسکوپی روایتی کنفوکل مائیکروسکوپی تکنیکوں کے مقابلے میں کم فوٹو بلیچنگ اور فوٹو ٹوکسیٹی کے ساتھ ہائی ریزولوشن تھری ڈائمینشنل (3D) امیجز کو حاصل کرنے کے لیے ایک الٹرا فاسٹ لیزر سورس کا استعمال کرتی ہے۔
شکل 7: دو فوٹون ٹو فوٹون (اوپر) اور سنگل فوٹوون (نیچے) مائکروسکوپی سسٹم کی سگنل پوزیشن کی عکاسی۔ دو فوٹون کے ذریعہ تیار کردہ اوورلیپ کا نتیجہ ایک چھوٹا حوصلہ افزائی والیوم میں ہوتا ہے، جبکہ سنگل فوٹون سگنل فوکل ہوائی جہاز کے باہر سے پس منظر کے سگنل سے متاثر ہوتا ہے۔
لیزر مواد پروسیسنگ
الٹرا فاسٹ لیزر ذرائع نے لیزر مائیکرو مشیننگ اور میٹریل پروسیسنگ میں بھی انقلاب برپا کر دیا ہے جس کی وجہ سے الٹرا شارٹ دالیں مواد کے ساتھ تعامل کرتی ہیں۔ جیسا کہ پہلے ذکر کیا گیا ہے، LDT پر بحث کرتے وقت، الٹرا فاسٹ پلس کا دورانیہ مادی جالیوں میں تھرمل پھیلاؤ کے ٹائم اسکیل سے زیادہ تیز ہوتا ہے۔ الٹرا فاسٹ لیزرز نینو سیکنڈ پلسڈ لیزرز کے مقابلے میں بہت چھوٹا گرمی سے متاثرہ زون تیار کرتے ہیں، جس کے نتیجے میں کیرف کا نقصان کم ہوتا ہے اور زیادہ درست پروسیسنگ ہوتی ہے۔ یہ اصول طبی ایپلی کیشنز پر بھی لاگو ہوتا ہے، جہاں الٹرا فاسٹ لیزر کٹنگ کی بڑھتی ہوئی درستگی ارد گرد کے بافتوں کو پہنچنے والے نقصان کو کم کرنے اور لیزر سرجری کے دوران مریض کے تجربے کو بہتر بنانے میں مدد کرتی ہے۔
اٹوسیکنڈ دالیں: الٹرا فاسٹ لیزرز کا مستقبل
جیسا کہ الٹرا فاسٹ لیزرز کو آگے بڑھانے کی تحقیق جاری ہے، کم نبض کے دورانیے والے روشنی کے نئے اور بہتر ذرائع تیار کیے جا رہے ہیں۔ تیز رفتار جسمانی عمل کے بارے میں بصیرت حاصل کرنے کے لیے، بہت سے محققین اٹوسیکنڈ دالوں کی نسل پر توجہ مرکوز کر رہے ہیں - انتہائی الٹرا وائلٹ (XUV) طول موج کی حد میں، اٹوسیکنڈ دالیں تقریباً 10-18 سیکنڈ ہیں۔ Attosecond دالیں الیکٹران کی حرکت کو ٹریک کرنے کی اجازت دیتی ہیں اور الیکٹرانک ڈھانچے اور کوانٹم میکانکس کے بارے میں ہماری سمجھ کو بہتر بناتی ہیں۔ جب کہ XUV attosecond lasers کے صنعتی عمل میں انضمام نے ابھی تک اہم کرشن حاصل نہیں کیا ہے، لیکن اس شعبے میں جاری تحقیق اور پیشرفت تقریباً یقینی طور پر اس ٹیکنالوجی کو لیب سے باہر اور مینوفیکچرنگ کی طرف دھکیل دے گی، جیسا کہ فیمٹوسیکنڈ اور picosecond لیزر ذرائع کے ساتھ ہوا ہے۔
