Laser femtosekundowy

A laser femtosekundowyto urządzenie generujące „ultrakrótkie światło impulsowe”, które emituje światło tylko przez ultrakrótki czas około jednej gigasekundy. Fei to skrót od Femto, przedrostka Międzynarodowego Układu Jednostek, a 1 femtosekunda = 1×10^-15 sekund. Tak zwane światło pulsacyjne emituje światło tylko przez chwilę. Czas emitowania światła przez lampę błyskową aparatu wynosi około 1 mikrosekundy, więc ultrakrótkie światło impulsowe femtosekundy emituje światło tylko przez około jedną miliardową swojego czasu. Jak wszyscy wiemy, prędkość światła wynosi 300 000 kilometrów na sekundę (7 i pół okrążenia Ziemi w ciągu 1 sekundy) z niezrównaną prędkością, ale w ciągu 1 femtosekundy nawet światło porusza się tylko o 0,3 mikrona.

Często przy fotografii z lampą błyskową jesteśmy w stanie wyciąć chwilowy stan poruszającego się obiektu. Podobnie, jeśli błyska laser femtosekundowy, można zobaczyć każdy fragment reakcji chemicznej, nawet gdy przebiega ona z dużą prędkością. W tym celu lasery femtosekundowe można wykorzystać do zbadania tajemnicy reakcji chemicznych.
Ogólne reakcje chemiczne przeprowadzane są po przejściu przez stan pośredni o wysokiej energii, tzw. „stan aktywowany”. Istnienie stanu aktywowanego teoretycznie przewidział chemik Arrhenius już w 1889 roku, ale nie można go bezpośrednio zaobserwować, ponieważ istnieje przez bardzo krótki czas. Jednak jego istnienie zostało bezpośrednio zademonstrowane przez lasery femtosekundowe pod koniec lat 80. XX wieku, co jest przykładem tego, jak można precyzyjnie określić reakcje chemiczne za pomocą laserów femtosekundowych. Na przykład cząsteczka cyklopentanonu jest rozkładana na tlenek węgla i 2 cząsteczki etylenu w stanie aktywowanym.
Lasery femtosekundowe są obecnie wykorzystywane również w wielu dziedzinach, takich jak fizyka, chemia, nauki przyrodnicze, medycyna i inżynieria, zwłaszcza w oświetleniu i elektronice. Dzieje się tak, ponieważ natężenie światła może przesyłać dużą ilość informacji z jednego miejsca do drugiego prawie bez strat, co dodatkowo przyspiesza komunikację optyczną. W dziedzinie fizyki jądrowej ogromne znaczenie przyniosły lasery femtosekundowe. Ponieważ światło impulsowe ma bardzo silne pole elektryczne, możliwe jest przyspieszenie elektronów do prędkości bliskiej prędkości światła w ciągu 1 femtosekundy, dzięki czemu może być używane jako „akcelerator” do przyspieszania elektronów.

Zastosowanie w medycynie
Jak wspomniano powyżej, w świecie femtosekund nawet światło jest zamrożone, aby nie mogło podróżować zbyt daleko, ale nawet w tej chwili skala, atomy, cząsteczki w materii i elektrony wewnątrz chipów komputerowych wciąż poruszają się w obwodach. Jeśli impuls femtosekundowy może zostać użyty do natychmiastowego zatrzymania go, przestudiuj, co się dzieje. Oprócz czasu do zatrzymania błysku, lasery femtosekundowe są w stanie wywiercić w metalu małe otwory o średnicy nawet 200 nanometrów (2/10 000 milimetra). Oznacza to, że ultrakrótkie światło impulsowe, które jest skompresowane i zamknięte w środku w krótkim czasie, daje niesamowity efekt ultrawysokiej mocy i nie powoduje dodatkowych szkód w otoczeniu. Co więcej, impulsowe światło lasera femtosekundowego może wykonywać niezwykle dokładne stereoskopowe obrazy obiektów. Obrazowanie stereoskopowe jest bardzo przydatne w diagnostyce medycznej, otwierając w ten sposób nową dziedzinę badań zwaną optyczną tomografią interferencyjną. Jest to stereoskopowy obraz żywej tkanki i żywych komórek, wykonany za pomocą lasera femtosekundowego. Na przykład bardzo krótki impuls światła jest kierowany na skórę, światło impulsowe jest odbijane od powierzchni skóry, a część światła impulsowego jest wstrzykiwana w skórę. Wnętrze skóry składa się z wielu warstw, a pulsujące światło wpadające do skóry jest odbijane z powrotem jako małe pulsujące światło, a wewnętrzną strukturę skóry można poznać dzięki echom różnych pulsujących świateł w świetle odbitym.
Ponadto technologia ta ma ogromne zastosowanie w okulistyce, umożliwiając wykonywanie stereoskopowych obrazów siatkówki głęboko w oku. Dzięki temu lekarze mogą zdiagnozować, czy istnieje problem z ich tkanką. Ten rodzaj badania nie ogranicza się do oczu. Jeśli laser zostanie wprowadzony do organizmu za pomocą światłowodu, można zbadać wszystkie tkanki różnych narządów w ciele, a nawet można sprawdzić, czy w przyszłości nie przerodził się w nowotwór.

Wdrażanie ultraprecyzyjnego zegara
Naukowcy uważają, że jeśli alaser femtosekundowyzegar jest wykonany przy użyciu światła widzialnego, będzie w stanie mierzyć czas dokładniej niż zegary atomowe i będzie najdokładniejszym zegarem na świecie w nadchodzących latach. Jeśli zegar jest dokładny, znacznie poprawia się również dokładność GPS (Global Positioning System) używanego do nawigacji samochodowej.
Dlaczego światło widzialne może stworzyć precyzyjny zegar? Wszystkie zegary i zegary są nierozerwalnie związane z ruchem wahadła i koła zębatego, a poprzez oscylację wahadła z precyzyjną częstotliwością drgań koło obraca się przez kilka sekund, a dokładny zegar nie jest wyjątkiem. Dlatego, aby uzyskać dokładniejszy zegar, konieczne jest zastosowanie wahadła o wyższej częstotliwości drgań. Zegary kwarcowe (zegary, które oscylują z kryształami zamiast wahadłami) są dokładniejsze niż zegary wahadłowe, ponieważ rezonator kwarcowy oscyluje więcej razy na sekundę.
Zegar atomowy cezu, który jest obecnie wzorcem czasu, oscyluje z częstotliwością około 9,2 gigaherca (przedrostek jednostki międzynarodowej giga, 1 giga = 10^9). Zegar atomowy wykorzystuje naturalną częstotliwość drgań atomów cezu do zastąpienia wahadła mikrofalami o tej samej częstotliwości, a jego dokładność wynosi tylko 1 sekundę na dziesiątki milionów lat. W przeciwieństwie do tego, światło widzialne ma częstotliwość oscylacji 100 000 do 1 000 000 razy wyższą niż mikrofale, co oznacza, że ​​wykorzystuje energię światła widzialnego do stworzenia precyzyjnego zegara, który jest miliony razy dokładniejszy niż zegary atomowe. Najdokładniejszy na świecie zegar wykorzystujący światło widzialne został z powodzeniem zbudowany w laboratorium.
Za pomocą tego precyzyjnego zegara można zweryfikować teorię względności Einsteina. Umieściliśmy jeden z tych precyzyjnych zegarów w laboratorium, a drugi w biurze na dole, biorąc pod uwagę, co może się stać, po godzinie lub dwóch wynik był taki, jak przewidywała teoria względności Einsteina, ze względu na dwa różne „pola grawitacyjne”. " między piętrami oba zegary nie wskazują już tej samej godziny, a zegar na dole biegnie wolniej niż ten na górze. Przy dokładniejszym zegarze może nawet czas na nadgarstku i kostce byłby inny tego dnia. Za pomocą dokładnych zegarów możemy po prostu doświadczyć magii względności.

Technologia spowalniania prędkości światła
W 1999 roku profesor Rainer Howe z Hubbard University w Stanach Zjednoczonych z powodzeniem spowolnił światło do 17 metrów na sekundę, czyli do prędkości, którą samochód może dogonić, a następnie z powodzeniem spowolnił do poziomu, który może dogonić nawet rower. Ten eksperyment obejmuje najnowocześniejsze badania fizyki, a ten artykuł przedstawia tylko dwa klucze do sukcesu eksperymentu. Jednym z nich jest zbudowanie „chmury” atomów sodu w ekstremalnie niskiej temperaturze bliskiej zeru absolutnego (-273,15°C), w specjalnym stanie gazowym zwanym kondensatem Bosego-Einsteina. Drugi to laser, który moduluje częstotliwość wibracji (laser do kontroli) i naświetla nim chmurę atomów sodu, w wyniku czego dzieją się niesamowite rzeczy.
Naukowcy najpierw używają lasera kontrolnego do kompresji impulsowego światła w chmurze atomów, a jego prędkość jest ekstremalnie spowolniona. W tym czasie laser sterujący zostaje wyłączony, światło pulsujące znika, a informacje przenoszone światłem pulsującym są przechowywane w chmurze atomów. . Następnie zostaje napromieniowany laserem kontrolnym, pulsujące światło zostaje odzyskane i wychodzi z chmury atomów. Tak więc pierwotnie skompresowany impuls zostaje ponownie rozciągnięty i prędkość zostaje przywrócona. Cały proces wprowadzania informacji o pulsującym świetle do chmury atomowej jest podobny do odczytywania, przechowywania i resetowania w komputerze, więc ta technologia jest pomocna w realizacji komputerów kwantowych.

Świat od „femtosekundy” do „attosekundy”
Femtosekundysą poza naszą wyobraźnią. Teraz wracamy do świata attosekund, które są krótsze niż femtosekundy. A to skrót od przedrostka SI atto. 1 attosekunda = 1 × 10^-18 sekund = jedna tysięczna femtosekundy. Impulsów attosekundowych nie można wytworzyć za pomocą światła widzialnego, ponieważ do skrócenia impulsu należy użyć krótszych fal świetlnych. Na przykład w przypadku wytwarzania impulsów z czerwonym światłem widzialnym niemożliwe jest uzyskanie impulsów krótszych niż ta długość fali. Światło widzialne ma limit około 2 femtosekund, podczas których impulsy attosekundowe wykorzystują promieniowanie rentgenowskie o krótszej długości fali lub promieniowanie gamma. Nie jest jasne, co zostanie odkryte w przyszłości za pomocą attosekundowych impulsów rentgenowskich. Na przykład wykorzystanie błysków attosekundowych do wizualizacji biomolekuł umożliwia nam obserwację ich aktywności w niezwykle krótkich skalach czasowych i być może określenie struktury biomolekuł.