Femtosecond Laser

A λέιζερ femtosecondείναι μια συσκευή παραγωγής "υπερσύντομου φωτός παλμού" που εκπέμπει φως μόνο για εξαιρετικά σύντομο χρόνο περίπου ενός gigasecond. Το Fei είναι η συντομογραφία του Femto, το πρόθεμα του Διεθνούς Συστήματος Μονάδων, και 1 femtosecond = 1×10^-15 δευτερόλεπτα. Το λεγόμενο παλμικό φως εκπέμπει φως μόνο για μια στιγμή. Ο χρόνος εκπομπής φωτός του φλας μιας κάμερας είναι περίπου 1 μικροδευτερόλεπτο, επομένως το εξαιρετικά σύντομο παλμικό φως του femtosecond εκπέμπει φως μόνο για περίπου το ένα δισεκατομμυριοστό του χρόνου του. Όπως όλοι γνωρίζουμε, η ταχύτητα του φωτός είναι 300.000 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο (7 και μισοί κύκλοι γύρω από τη γη σε 1 δευτερόλεπτο) με απαράμιλλη ταχύτητα, αλλά σε 1 femtosecond, ακόμη και το φως προχωρά μόνο κατά 0,3 μικρά.

Συχνά, με τη φωτογραφία με φλας μπορούμε να αποκόψουμε τη στιγμιαία κατάσταση ενός κινούμενου αντικειμένου. Ομοίως, εάν αναβοσβήνει ένα λέιζερ femtosecond, είναι δυνατό να δούμε κάθε θραύσμα της χημικής αντίδρασης ακόμη και όταν προχωρά με βίαιη ταχύτητα. Για το σκοπό αυτό, τα λέιζερ femtosecond μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη μελέτη του μυστηρίου των χημικών αντιδράσεων.
Οι γενικές χημικές αντιδράσεις πραγματοποιούνται αφού περάσουν από μια ενδιάμεση κατάσταση με υψηλή ενέργεια, τη λεγόμενη «ενεργοποιημένη κατάσταση». Η ύπαρξη μιας ενεργοποιημένης κατάστασης είχε προβλεφθεί θεωρητικά από τον χημικό Arrhenius ήδη από το 1889, αλλά δεν μπορεί να παρατηρηθεί άμεσα γιατί υπάρχει για πολύ μικρό χρονικό διάστημα. Αλλά η ύπαρξή του αποδείχθηκε άμεσα από λέιζερ φεμτοδευτερόλεπτου στα τέλη της δεκαετίας του 1980, ένα παράδειγμα του πώς οι χημικές αντιδράσεις μπορούν να εντοπιστούν με λέιζερ φεμτοδευτερόλεπτου. Για παράδειγμα, το μόριο κυκλοπεντανόνης αποσυντίθεται σε μονοξείδιο του άνθρακα και 2 μόρια αιθυλενίου από την ενεργοποιημένη κατάσταση.
Τα λέιζερ Femtosecond χρησιμοποιούνται τώρα επίσης σε ένα ευρύ φάσμα πεδίων όπως η φυσική, η χημεία, οι βιοεπιστήμες, η ιατρική και η μηχανική, ειδικά στο φως και την ηλεκτρονική. Αυτό συμβαίνει επειδή η ένταση του φωτός μπορεί να μεταδώσει μεγάλο όγκο πληροφοριών από το ένα μέρος στο άλλο χωρίς σχεδόν καμία απώλεια, επιταχύνοντας περαιτέρω την οπτική επικοινωνία. Στον τομέα της πυρηνικής φυσικής, τα λέιζερ femtosecond έχουν επιφέρει τεράστιο αντίκτυπο. Επειδή το παλμικό φως έχει πολύ ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο, είναι δυνατό να επιταχυνθούν τα ηλεκτρόνια κοντά στην ταχύτητα του φωτός μέσα σε 1 femtosecond, επομένως μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως «επιταχυντής» για την επιτάχυνση των ηλεκτρονίων.

Εφαρμογή στην ιατρική
Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, στον κόσμο του femtosecond ακόμη και το φως είναι παγωμένο έτσι ώστε να μην μπορεί να ταξιδέψει πολύ μακριά, αλλά ακόμη και σε αυτή τη χρονική κλίμακα, τα άτομα, τα μόρια στην ύλη και τα ηλεκτρόνια μέσα στα τσιπ υπολογιστών εξακολουθούν να κινούνται σε κυκλώματα. Εάν ο σφυγμός του femtosecond μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να τον σταματήσει ακαριαία, μελετήστε τι συμβαίνει. Εκτός από το χρόνο αναβοσβήνει για να σταματήσει, τα λέιζερ femtosecond μπορούν να ανοίξουν μικροσκοπικές τρύπες σε μέταλλο με διάμετρο 200 νανόμετρων (2/10.000 του χιλιοστού). Αυτό σημαίνει ότι το εξαιρετικά σύντομο παλμικό φως που συμπιέζεται και κλειδώνεται μέσα σε σύντομο χρονικό διάστημα επιτυγχάνει ένα εκπληκτικό αποτέλεσμα εξαιρετικά υψηλής απόδοσης και δεν προκαλεί πρόσθετη ζημιά στο περιβάλλον. Επιπλέον, το παλμικό φως του λέιζερ femtosecond μπορεί να τραβήξει εξαιρετικά λεπτές στερεοσκοπικές εικόνες αντικειμένων. Η στερεοσκοπική απεικόνιση είναι πολύ χρήσιμη στην ιατρική διάγνωση, ανοίγοντας έτσι ένα νέο πεδίο έρευνας που ονομάζεται οπτική τομογραφία παρεμβολής. Αυτή είναι μια στερεοσκοπική εικόνα ζωντανού ιστού και ζωντανών κυττάρων που λαμβάνονται με λέιζερ femtosecond. Για παράδειγμα, ένας πολύ σύντομος παλμός φωτός στοχεύει στο δέρμα, το παλμικό φως αντανακλάται από την επιφάνεια του δέρματος και ένα μέρος του παλμικού φωτός εγχέεται στο δέρμα. Το εσωτερικό του δέρματος αποτελείται από πολλά στρώματα και το παλμικό φως που εισέρχεται στο δέρμα αναπηδά πίσω ως ένα μικρό παλμικό φως και η εσωτερική δομή του δέρματος μπορεί να γίνει γνωστή από τις ηχώ αυτών των διαφόρων παλμικού φωτός στο ανακλώμενο φως.
Επιπλέον, αυτή η τεχνολογία έχει μεγάλη χρησιμότητα στην οφθαλμολογία, ικανή να τραβήξει στερεοσκοπικές εικόνες του αμφιβληστροειδούς βαθιά στο μάτι. Αυτό επιτρέπει στους γιατρούς να διαγνώσουν εάν υπάρχει πρόβλημα με τον ιστό τους. Αυτός ο τύπος εξέτασης δεν περιορίζεται στα μάτια. Εάν ένα λέιζερ σταλεί στο σώμα με μια οπτική ίνα, είναι δυνατό να εξεταστούν όλοι οι ιστοί διαφόρων οργάνων του σώματος και μπορεί ακόμη και να ελεγχθεί αν έχει γίνει καρκίνος στο μέλλον.

Υλοποίηση ενός εξαιρετικά ακριβούς ρολογιού
Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι αν αλέιζερ femtosecondΤο ρολόι κατασκευάζεται χρησιμοποιώντας ορατό φως, θα μπορεί να μετράει τον χρόνο με μεγαλύτερη ακρίβεια από τα ατομικά ρολόγια και θα είναι το πιο ακριβές ρολόι στον κόσμο για τα επόμενα χρόνια. Εάν το ρολόι είναι ακριβές, τότε η ακρίβεια του GPS (Global Positioning System) που χρησιμοποιείται για την πλοήγηση αυτοκινήτου βελτιώνεται επίσης σημαντικά.
Γιατί το ορατό φως μπορεί να κάνει ένα ακριβές ρολόι; Όλα τα ρολόγια και τα ρολόγια είναι αδιαχώριστα από την κίνηση ενός εκκρεμούς και ενός γραναζιού, και μέσω της ταλάντωσης του εκκρεμούς με ακριβή συχνότητα δόνησης, το γρανάζι περιστρέφεται για δευτερόλεπτα και ένα ακριβές ρολόι δεν αποτελεί εξαίρεση. Επομένως, για να γίνει πιο ακριβές ρολόι, είναι απαραίτητο να χρησιμοποιήσετε ένα εκκρεμές με υψηλότερη συχνότητα δόνησης. Τα ρολόγια χαλαζία (ρολόγια που ταλαντώνονται με κρυστάλλους αντί για εκκρεμές) είναι πιο ακριβή από τα ρολόγια με εκκρεμές επειδή ο συντονιστής χαλαζία ταλαντώνεται περισσότερες φορές ανά δευτερόλεπτο.
Το ατομικό ρολόι καισίου, που είναι τώρα το πρότυπο χρόνου, ταλαντώνεται με συχνότητα περίπου 9,2 gigahertz (το πρόθεμα της διεθνούς μονάδας giga, 1 giga = 10^9). Το ατομικό ρολόι χρησιμοποιεί τη φυσική συχνότητα ταλάντωσης των ατόμων καισίου για να αντικαταστήσει το εκκρεμές με μικροκύματα με την ίδια συχνότητα ταλάντωσης και η ακρίβειά του είναι μόνο 1 δευτερόλεπτο σε δεκάδες εκατομμύρια χρόνια. Αντίθετα, το ορατό φως έχει συχνότητα ταλάντωσης 100.000 έως 1.000.000 φορές υψηλότερη από αυτή των μικροκυμάτων, δηλαδή χρησιμοποιεί ενέργεια ορατού φωτός για να δημιουργήσει ένα ρολόι ακριβείας που είναι εκατομμύρια φορές πιο ακριβές από τα ατομικά ρολόγια. Το πιο ακριβές ρολόι στον κόσμο που χρησιμοποιεί ορατό φως έχει πλέον κατασκευαστεί με επιτυχία στο εργαστήριο.
Με τη βοήθεια αυτού του ακριβούς ρολογιού, μπορεί να επαληθευτεί η θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν. Βάλαμε ένα από αυτά τα ακριβή ρολόγια στο εργαστήριο και το άλλο στο γραφείο του κάτω ορόφου, λαμβάνοντας υπόψη τι θα μπορούσε να συμβεί, μετά από μία ή δύο ώρες, το αποτέλεσμα ήταν όπως προέβλεπε η θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν, λόγω των δύο Υπάρχουν διαφορετικά «βαρυτικά πεδία «Μεταξύ των ορόφων, τα δύο ρολόγια δεν δείχνουν πλέον την ίδια ώρα, και το ρολόι στον κάτω όροφο τρέχει πιο αργά από αυτό του επάνω ορόφου. Με ένα πιο ακριβές ρολόι, ίσως ακόμη και η ώρα στον καρπό και στον αστράγαλο να ήταν διαφορετική εκείνη την ημέρα. Μπορούμε απλά να ζήσουμε τη μαγεία της σχετικότητας με τη βοήθεια ακριβών ρολογιών.

Τεχνολογία επιβράδυνσης ταχύτητας φωτός
Το 1999, ο καθηγητής Rainer Howe του Πανεπιστημίου Hubbard στις Ηνωμένες Πολιτείες επιβράδυνε επιτυχώς το φως στα 17 μέτρα ανά δευτερόλεπτο, μια ταχύτητα που μπορεί να φτάσει ένα αυτοκίνητο και στη συνέχεια επιβράδυνε με επιτυχία σε ένα επίπεδο που μπορεί να φτάσει ακόμη και ένα ποδήλατο. Αυτό το πείραμα περιλαμβάνει την πιο αιχμή έρευνα στη φυσική, και αυτό το άρθρο εισάγει μόνο δύο κλειδιά για την επιτυχία του πειράματος. Το ένα είναι να δημιουργηθεί ένα «σύννεφο» ατόμων νατρίου σε εξαιρετικά χαμηλή θερμοκρασία κοντά στο απόλυτο μηδέν (-273,15°C), μια ειδική αέρια κατάσταση που ονομάζεται συμπύκνωμα Bose-Einstein. Το άλλο είναι ένα λέιζερ που ρυθμίζει τη συχνότητα δόνησης (το λέιζερ για έλεγχο) και ακτινοβολεί ένα σύννεφο ατόμων νατρίου με αυτό, και ως αποτέλεσμα, συμβαίνουν απίστευτα πράγματα.
Οι επιστήμονες χρησιμοποιούν πρώτα το λέιζερ ελέγχου για να συμπιέσουν το παλμικό φως στο νέφος των ατόμων και η ταχύτητα μειώνεται εξαιρετικά. Αυτή τη στιγμή, το λέιζερ ελέγχου απενεργοποιείται, το παλμικό φως εξαφανίζεται και οι πληροφορίες που μεταφέρονται στο παλμικό φως αποθηκεύονται στο νέφος των ατόμων. . Στη συνέχεια ακτινοβολείται με λέιζερ ελέγχου, το παλμικό φως ανακτάται και βγαίνει από το νέφος των ατόμων. Έτσι ο αρχικά συμπιεσμένος παλμός τεντώνεται ξανά και η ταχύτητα αποκαθίσταται. Η όλη διαδικασία εισαγωγής πληροφοριών παλμικού φωτός σε ένα ατομικό νέφος είναι παρόμοια με την ανάγνωση, την αποθήκευση και την επαναφορά σε έναν υπολογιστή, επομένως αυτή η τεχνολογία είναι χρήσιμη για την υλοποίηση των κβαντικών υπολογιστών.

Ο κόσμος από το "femtosecond" στο "attosecond"
Femtosecondsείναι πέρα ​​από τη φαντασία μας. Τώρα επιστρέφουμε στον κόσμο των αττοδευτερόλεπτων, τα οποία είναι μικρότερα από τα φεμτοδευτερόλεπτα. Το A είναι μια συντομογραφία για το πρόθεμα SI atto. 1 attosecond = 1 × 10^-18 seconds = ένα χιλιοστό του femtosecond. Οι παλμοί Attosecond δεν μπορούν να γίνουν με ορατό φως, επειδή πρέπει να χρησιμοποιηθούν μικρότερα μήκη κύματος φωτός για να μειωθεί ο παλμός. Για παράδειγμα, στην περίπτωση δημιουργίας παλμών με κόκκινο ορατό φως, είναι αδύνατο να γίνουν παλμοί μικρότεροι από αυτό το μήκος κύματος. Το ορατό φως έχει ένα όριο περίπου 2 femtoseconds, για τα οποία οι παλμοί attosecond χρησιμοποιούν ακτίνες Χ μικρότερου μήκους κύματος ή ακτίνες γάμμα. Το τι θα ανακαλυφθεί στο μέλλον χρησιμοποιώντας παλμούς ακτίνων Χ attosecond είναι ασαφές. Για παράδειγμα, η χρήση φλας attosecond για την οπτικοποίηση των βιομορίων μας δίνει τη δυνατότητα να παρατηρήσουμε τη δραστηριότητά τους σε εξαιρετικά σύντομες χρονικές κλίμακες και ίσως να εντοπίσουμε με ακρίβεια τη δομή των βιομορίων.