Femtosekundni laser

A femtosekundni laserje naprava za generiranje "ultrakratke impulzne svetlobe", ki oddaja svetlobo le ultra kratek čas približno eno gigasekundo. Fei je okrajšava za Femto, predpono mednarodnega sistema enot, in 1 femtosekunda = 1×10^-15 sekund. Tako imenovana impulzna svetloba odda svetlobo le za trenutek. Čas oddajanja svetlobe bliskavice kamere je približno 1 mikrosekundo, tako da ultra kratka impulzna svetloba femtosekunde oddaja svetlobo le približno eno milijardo svojega časa. Kot vsi vemo, je svetlobna hitrost 300.000 kilometrov na sekundo (7 krogov in pol okoli zemlje v 1 sekundi) z neprimerljivo hitrostjo, a v 1 femtosekundi celo svetloba napreduje le za 0,3 mikrona.

Pogosto lahko s fotografiranjem z bliskavico izrežemo trenutno stanje premikajočega se predmeta. Podobno, če utripa femtosekundni laser, je mogoče videti vsak delček kemične reakcije, tudi ko poteka z nasilno hitrostjo. V ta namen se lahko femtosekundni laserji uporabljajo za preučevanje skrivnosti kemičnih reakcij.
Splošne kemijske reakcije se izvajajo po prehodu skozi vmesno stanje z visoko energijo, tako imenovano "aktivirano stanje". Obstoj aktiviranega stanja je teoretično napovedal kemik Arrhenius že leta 1889, vendar ga ni mogoče neposredno opazovati, ker obstaja zelo kratek čas. Toda njegov obstoj je bil neposredno dokazan s femtosekundnimi laserji v poznih osemdesetih letih prejšnjega stoletja, primerom, kako je mogoče kemične reakcije natančno določiti s femtosekundnimi laserji. Na primer, molekula ciklopentanona se v aktiviranem stanju razgradi na ogljikov monoksid in 2 molekuli etilena.
Femtosekundni laserji se zdaj uporabljajo tudi na številnih področjih, kot so fizika, kemija, znanosti o življenju, medicina in inženiring, zlasti v svetlobi in elektroniki. To je zato, ker lahko intenzivnost svetlobe skoraj brez izgube prenese veliko količino informacij z enega mesta na drugega, kar dodatno pospeši optično komunikacijo. Na področju jedrske fizike so femtosekundni laserji prinesli velik vpliv. Ker ima impulzna svetloba zelo močno električno polje, je mogoče v 1 femtosekundi pospešiti elektrone na skoraj svetlobno hitrost, zato jo lahko uporabimo kot "pospeševalnik" za pospeševanje elektronov.

Uporaba v medicini
Kot že omenjeno, je v femtosekundnem svetu celo svetloba zamrznjena, tako da ne more potovati zelo daleč, a tudi v tej časovni skali se atomi, molekule v snovi in ​​elektroni v računalniških čipih še vedno gibljejo v vezjih. Če lahko femtosekundni impulz uporabite za takojšnjo zaustavitev, preučite, kaj se zgodi. Femtosekundni laserji lahko poleg časa utripanja izvrtajo drobne luknje v kovino s premerom do 200 nanometrov (2/10.000 milimetra). To pomeni, da ultra kratka impulzna svetloba, ki se v kratkem času stisne in zaklene v notranjost, doseže neverjeten učinek ultra visoke moči in ne povzroča dodatne škode okolici. Poleg tega lahko impulzna svetloba femtosekundnega laserja posname izjemno fine stereoskopske slike predmetov. Stereoskopsko slikanje je zelo uporabno v medicinski diagnostiki in tako odpira novo področje raziskav, imenovano optična interferenčna tomografija. To je stereoskopska slika živega tkiva in živih celic, posneta s femtosekundnim laserjem. Na primer, zelo kratek svetlobni impulz je usmerjen v kožo, impulzna svetloba se odbije od površine kože in del pulzne svetlobe se vbrizga v kožo. Notranjost kože je sestavljena iz številnih plasti in impulzna svetloba, ki vstopa v kožo, se odbija kot majhna impulzna svetloba, notranjo strukturo kože pa je mogoče spoznati iz odmevov teh različnih impulznih svetlob v odbiti svetlobi.
Poleg tega je ta tehnologija zelo uporabna v oftalmologiji, saj lahko posname stereoskopske slike mrežnice globoko v očesu. To omogoča zdravnikom, da ugotovijo, ali obstajajo težave z njihovim tkivom. Ta vrsta pregleda ni omejena na oči. Če laser pošljemo v telo z optičnim vlaknom, je mogoče pregledati vsa tkiva različnih organov v telesu, morda pa je mogoče celo preveriti, ali je v prihodnosti prešlo v raka.

Izvajanje ultra natančne ure
Znanstveniki verjamejo, da če afemtosekundni laserUra je narejena z uporabo vidne svetlobe, bo lahko merila čas natančneje kot atomske ure in bo v prihodnjih letih najbolj natančna ura na svetu. Če je ura točna, se močno izboljša tudi natančnost GPS (Global Positioning System), ki se uporablja za avtomobilsko navigacijo.
Zakaj lahko vidna svetloba naredi natančno uro? Vse ure in ure so neločljive od gibanja nihala in zobnika, zaradi nihanja nihala z natančno frekvenco tresljajev pa se zobnik vrti za sekunde in natančna ura ni izjema. Zato je za izdelavo natančnejše ure potrebno uporabiti nihalo z višjo frekvenco vibracij. Kremenčeve ure (ure, ki nihajo s kristali namesto z nihali) so natančnejše od ur z nihalom, ker kremenčev resonator niha večkrat na sekundo.
Cezijeva atomska ura, ki je zdaj časovni standard, niha s frekvenco približno 9,2 gigaherca (predpona mednarodne enote giga, 1 giga = 10^9). Atomska ura uporablja naravno frekvenco nihanja atomov cezija za zamenjavo nihala z mikrovalovno pečico z enako frekvenco nihanja, njena natančnost pa je le 1 sekunda v desetih milijonih let. Nasprotno pa ima vidna svetloba frekvenco nihanja od 100.000 do 1.000.000-krat višjo kot pri mikrovalovnih pečicah, to je, da uporablja energijo vidne svetlobe za ustvarjanje natančne ure, ki je milijone krat natančnejša od atomskih ur. Najnatančnejša ura na svetu, ki uporablja vidno svetlobo, je bila zdaj uspešno izdelana v laboratoriju.
S pomočjo te natančne ure je mogoče preveriti Einsteinovo teorijo relativnosti. Eno od teh natančnih ur smo postavili v laboratorij, drugo pa v pisarno spodaj, glede na to, kaj se lahko zgodi, po uri ali dveh je bil rezultat takšen, kot je napovedala Einsteinova teorija relativnosti, zaradi dveh. Obstajajo različni "gravitacijski polji". " med nadstropji uri ne kažeta več na isti čas, ura spodaj pa teče počasneje kot tista zgoraj. Z natančnejšo uro bi morda ta dan bil celo čas na zapestju in gležnju drugačen. Čarovnijo relativnosti lahko preprosto izkusimo s pomočjo natančnih ur.

Tehnologija upočasnjevanja svetlobne hitrosti
Leta 1999 je profesor Rainer Howe z univerze Hubbard v Združenih državah Amerike uspešno upočasnil svetlobo na 17 metrov na sekundo, hitrost, ki jo lahko dohiti avtomobil, in nato uspešno upočasnil na raven, ki jo lahko dohiti celo kolo. Ta eksperiment vključuje najsodobnejše raziskave v fiziki, ta članek pa predstavlja le dva ključa do uspeha eksperimenta. Eden je zgraditi "oblak" natrijevih atomov pri izjemno nizki temperaturi blizu absolutne ničle (-273,15°C), posebnem plinastem stanju, imenovanem Bose-Einsteinov kondenzat. Drugi je laser, ki modulira vibracijsko frekvenco (laser za nadzor) in z njim obseva oblak natrijevih atomov, posledično pa se zgodijo neverjetne stvari.
Znanstveniki najprej uporabijo kontrolni laser za stiskanje impulzne svetlobe v oblaku atomov, hitrost pa je izjemno upočasnjena. V tem času se nadzorni laser izklopi, impulzna svetloba izgine in informacije, ki jih prenaša impulzna svetloba, so shranjene v oblaku atomov. . Nato jo obsevamo s kontrolnim laserjem, pulzirajoča svetloba se pridobi in uide iz oblaka atomov. Tako se prvotno stisnjen impulz znova raztegne in hitrost se povrne. Celoten postopek vnosa informacij o impulzni svetlobi v atomski oblak je podoben branju, shranjevanju in ponastavitvi v računalniku, zato je ta tehnologija v pomoč pri realizaciji kvantnih računalnikov.

Svet od "femtosekunde" do "attosekunde"
Femtosekundepresegajo našo domišljijo. Zdaj smo spet v svetu attosekund, ki so krajše od femtosekund. A je okrajšava za predpono SI atto. 1 attosekunda = 1 × 10^-18 sekund = tisočinka femtosekunde. Attosekundnih impulzov ni mogoče narediti z vidno svetlobo, ker je treba za skrajšanje impulza uporabiti krajše valovne dolžine svetlobe. Na primer, v primeru ustvarjanja impulzov z rdečo vidno svetlobo je nemogoče narediti impulze krajše od te valovne dolžine. Vidna svetloba ima omejitev približno 2 femtosekundi, za kar attosekundni impulzi uporabljajo rentgenske žarke krajše valovne dolžine ali žarke gama. Kaj bodo odkrili v prihodnosti z uporabo attosekundnih rentgenskih impulzov, ni jasno. Na primer, uporaba attosekundnih utripov za vizualizacijo biomolekul nam omogoča, da opazujemo njihovo aktivnost na izjemno kratkih časovnih lestvicah in morda natančno določimo strukturo biomolekul.