Αλληλεπίδραση ισοτοπολόγων του νερού με fs ασύμμετρα ω/2ω πεδία laser

Το αντικείμενο της παρούσας εργασίας αφορά στη μελέτη της αλληλεπίδρασης των μορίων του νερού αλλά και του πλήρως δευτεριομένου ισοτοπολόγου του (βαρύ ύδωρ) με fs παλμούς laser και ασύμμετρα fs ω/2ω πεδία. Η μελέτη διεξήχθη στη φασματική περιοχή του κοντινού υπέρυθρου κάνοντας χρήση ενός οπτικού παραμετρικού ενισχυτή, ο οποίος αντλείται από ένα παλμικό Ti:Sapphire laser με χρονική διάρκεια παλμού ~30 fs. Τα ασύμμετρα πεδία προκύπτουν από τη σύνθεση μίας δέσμης laser του παραμετρικού ενισχυτή με τη δεύτερη αρμονική της.Η ισχύς των πεδίων laser είναι υψηλή (1014 – 1015 W/cm2) και η αλληλεπίδραση με τα μόρια οδηγεί στον πολλαπλό ιονισμό αυτών. Καθώς η μελέτη εστιάζεται στον διπλό ιονισμό των μορίων, ο προσδιορισμός της διαδικασίας ιονισμού απαιτεί ιδιαίτερη προσοχή καθότι το δικατιόν του νερού είναι ουσιαστικά ασταθές και οδηγείται άμεσα σε διάσπαση. Η καταγραφή των αποτελεσμάτων της αλληλεπίδρασης έγινε με την χρήση φασματογράφου μάζας χρόνου πτήσης. Από την συγκριτική μελέτη της εξάρτησης των ιοντικών θραυσμάτων από την πόλωση της δέσμης και αξιολογώντας την γωνιακή κατανομή των θραυσμάτων καταλήξαμε στον συμπέρασμα ότι στον ιονισμό, στην περιοχή του κοντινού υπερύθρου, ενέχεται μια πολυφωτονική διαδικασία. Το συμπέρασμα αυτό βρίσκεται σε συμφωνία με πρόσφατα βιβλιογραφικά δεδομένα για τα 800nm.Η διάσπαση προς δύο ιοντικά θραύσματα του δικατιόντος αποτέλεσε αντικείμενο ιδιαίτερης μελέτης. Το δικατιόν του νερού μέσω δύο διακριτών καναλιών διασπάται προς Η+ και ΟΗ+ καθώς και προς. Η2+ και Ο+. Μελετήθηκε συστηματικά η εξάρτηση των δύο αυτών καναλιών από τις πειραματικές παραμέτρους. Διαπιστώθηκε ότι η διάσπαση από την οποία προκύπτει Η2+/D2+ εξαρτάται δραστικά από το μήκος κύματος του laser. Συγκεκριμένα, όταν το μήκος κύματος του laser οδηγεί σε συντονιστική διέγερση συνδυασμών των κανονικών τρόπων ταλάντωσης των μορίων, αυξάνει η πιθανότητα σχηματισμού των μοριακών αυτών θραυσμάτων περισσότερο από τρείς και έως οκτώ φορές για το νερό και το βαρύ ύδωρ αντίστοιχα. Επιπλέον, ο μεγαλύτερος οπτικός κύκλος ευνοεί επίσης την δημιουργία, ενώ η κυκλική πόλωση μειώνει την πιθανότητα σχηματισμού αυτών των θραυσμάτων. Επιπρόσθετα, μελετήθηκε και προσδιορίστηκε η αυτοïονιζόμενη κατάσταση του κατιόντος, η οποία οδηγείται σε διάσπαση προς Η2+/D2+ και Ο+, παρόλο που βρίσκεται ενεργειακά κάτω από το κατώφλι του διπλού ιόντος. Ο σχηματισμός Η2+/D2+ προϋποθέτει δημιουργία ενός νέου δεσμού πριν την διάσπαση -γεγονός ιδιαίτερα ενδιαφέρον- και προκειμένου να αποκτήσουμε βαθύτερη γνώση, η όλη διαδικασία της διάσπασης του δικατιόντος μελετήθηκε με την χρήση fs ασύμμετρων ω/2ω πεδίων laser. Κάθε μέτρησης προηγήθηκε ο χαρακτηρισμός του ασύμμετρου ω/2ω πεδίου (προσδιορισμός της σχετικής φάσης) με την αξιοποίηση δεδομένων της βιβλιογραφίας για τον ιονισμό του CO. Έπειτα, επικεντρώνοντας στον ιονισμό των ισοτοπολόγων του νερού, ταυτοποιήθηκαν με απόλυτo τρόπο τα διασπαστικά κανάλια του δικατιόντος. Λαμβάνοντας υπόψιν τη φορά του πεδίου, συμπεράναμε ότι το διασπαστικό κανάλι που οδηγεί προς Η2+/D2+ ευνοείται όταν το εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο ωθεί το ηλεκτρονιακό νέφος προς τη μεριά του ΟΗ+. Η μελέτη της εξάρτησης της ανισότροπης εκτόξευσης ιοντικών θραυσμάτων (ασυμμετρία ή αλλιώς παράμετρος β) σε σχέση με τη φάση Δφ παρέχει επιπλέον γνώση πάνω στα δύο διασπαστικά κανάλια. Συγκεκριμένα, πραγματοποιήθηκε παραμετρική μελέτη της εξάρτησης των καναλιών διάσπασης από το μήκος κύματος της βασικής δέσμης, τη μορφή του ασύμμετρου πεδίου (παράμετρος γ) και της συνολικής έντασης του πεδίου laser. Διαπιστώθηκε πως οι πειραματικές αυτοί παράμετροι επηρεάζουν σημαντικά το πλάτος της ασυμμετρίας (παράμετρος β) μόνο για το κανάλι διάσπασης προς Η2+/D2+. Αξιολογώντας τα δεδομένα και από τις δύο τεχνικές που χρησιμοποιήθηκαν, αναδεικνύεται με σαφήνεια ότι στην δημιουργία και τελικά την διάσπαση των ισοτοπολόγων του νερού ενέχονται διαδικασίες σύζευξης πυρηνικών και ηλεκτρονιακών κινήσεων που λαμβάνουν χώρα σε fs χρονική κλίμακα.

Engineering of Ti:Sapphire Lasers for Dermatology and Aesthetic Medicine

This review describes new engineering solutions for Ti:Sapphire lasers obtained at Laseroptek during the development of laser devices for dermatology and aesthetic medicine. The first device, PALLAS, produces 311 nm radiation by the third harmonic generation of a Ti:Sapphire laser, which possesses similar characteristics to excimer laser-based medical devices for skin treatments. In comparison to excimer lasers, Ti:Sapphire laser services are less expensive, which can save ~10% per year for customers compared to initial excimer laser costs. Here, the required characteristics were obtained due to the application of a new type of diffraction grating for spectral selection. The second device, HELIOS-4, based on the Ti:Sapphire laser, produces 300 mJ, 0.5 ns pulses at 785 nm for tattoo removal. The characteristics of HELIOS-4 exceed those of other tattoo removal laser devices represented in the medical market, despite a simple and inexpensive technical solution. The development of the last laser required the detailed study of a generation process and the investigation of the factors responsible for the synchronization of the generation in Ti: Sapphire lasers with short (several millimeters) cavities. The mechanism that can explain the synchronization in such lasers is suggested. Experiments for the confirmation of this concept are conducted and analyzed.

Development of a 1 TW/35 fs Ti:sapphire Laser Amplifier and Generation of Intense THz Waves Using Two-Color Laser Filamentation

We developed a compact Ti:sapphire laser amplifier system in our laboratory, generating intense laser pulses with a peak power of >1 TW (terawatt), a pulse duration of 34 fs (femtosecond), a central wavelength of 800 nm, and a repetition rate of 10 Hz. The laser amplifier system consists of a mode-locked Ti:sapphire oscillator, a regenerative amplifier, and a single-side-pumped 4-pass amplifier. The chirped-pulse amplification (CPA)-based laser amplifier was found to provide an energy of 49.6 mJ after compression by gratings in air, where the pumping fluence of 1.88 J/cm2 was used. The amplified spontaneous emission (ASE) level was measured to be lower than 10−7, and ps-prepulses were in 10−4 or lower level. The developed laser amplifier system was used for the generation of intense THz (terahertz) waves by focusing the original (800 nm) and second harmonic (400 nm) laser pulses in air. The THz pulse energy was shown to be saturated in the high laser energy regime, and this phenomenon was confirmed by fully electromagnetic, relativistic, and self-consistent particle-in-cell (PIC) simulations.

EXPRESS: Coherent Anti-Stokes Raman Scattering Spectroscopy Using a Double-Wavelength-Emission Electronically Tuned Ti:Sapphire Laser

Coherent anti-Stokes Raman scattering (CARS) spectroscopy is a powerful tool for Raman imaging technology. In contrast, conventional spontaneous Raman spectroscopy is often used for biological analysis with multivariate analysis. This study develops a new type of CARS instrument with a double-wavelength-emission background-free electronically tuned Ti:sapphire laser (DW-ETL). DW-ETL generates two laser pulses with different wavelengths simultaneously within its single resonator. The pulse wavelength and buildup time are regulated by acousto-optical tunable filter (AOTF) in the resonator. The present DW-ETL CARS system is free from any mechanical movement to measure a CARS spectrum by controlling each laser pulse of the emission throughout the fingerprint region. Consequently, it is theoretically able to provide stable CARS spectra to apply multivariate analysis in biological applications. The present study demonstrates that the DW-ETL CARS system provides spectra of biomedical samples in the full finger-print region, and the stability and controllability of the system are evaluated.

High-pulse-energy multiphoton imaging of neurons and oligodendrocytes in deep murine brain with a fiber laser

Here we demonstrate high-pulse-energy multiphoton microscopy (MPM) for intravital imaging of neurons and oligodendrocytes in the murine brain. Pulses with an order of magnitude higher energy (~ 10 nJ) were employed from a ytterbium doped fiber laser source at a 1-MHz repetition rate, as compared to the standard 80-MHz Ti:Sapphire laser. Intravital imaging was performed on mice expressing common fluorescent proteins, including green (GFP) and yellow fluorescent proteins (YFP), and TagRFPt. One fifth of the average power could be used for superior depths of MPM imaging, as compared to the Ti:Sapphire laser: A depth of ~ 860 µm was obtained by imaging the Thy1-YFP brain in vivo with 6.5 mW, and cortical myelin as deep as 400 µm ex vivo by intrinsic third-harmonic generation using 50 mW. The substantially higher pulse energy enables novel regimes of photophysics to be exploited for microscopic imaging. The limitation from higher order phototoxicity is also discussed.