Фемтосекундний лазер

A фемтосекундний лазерце пристрій, що генерує «ультракороткі імпульси», який випромінює світло лише протягом ультракороткого часу близько однієї гігасекунди. Fei — це абревіатура від Femto, префікса Міжнародної системи одиниць, і 1 фемтосекунда = 1×10^-15 секунд. Так зване імпульсне світло випромінює світло лише на мить. Час випромінювання спалаху камери становить близько 1 мікросекунди, тому ультракоротке імпульсне світло фемтосекунд випромінює світло лише приблизно одну мільярдну частину свого часу. Як ми всі знаємо, швидкість світла становить 300 000 кілометрів на секунду (7 з половиною обертів навколо Землі за 1 секунду) з неперевершеною швидкістю, але за 1 фемтосекунду навіть світло просувається лише на 0,3 мікрона.

Часто за допомогою фотозйомки зі спалахом ми можемо вирізати миттєвий стан рухомого об’єкта. Так само, якщо спалахнути фемтосекундним лазером, можна побачити кожен фрагмент хімічної реакції, навіть якщо вона протікає з надзвичайною швидкістю. З цією метою фемтосекундні лазери можна використовувати для вивчення таємниці хімічних реакцій.
Загальні хімічні реакції здійснюються після проходження через проміжний стан з високою енергією, так званий «активований стан». Існування активованого стану було теоретично передбачено хіміком Арреніусом ще в 1889 році, але його неможливо безпосередньо спостерігати, оскільки воно існує дуже короткий час. Але його існування було прямо продемонстровано фемтосекундними лазерами наприкінці 1980-х років, прикладом того, як можна точно визначити хімічні реакції за допомогою фемтосекундних лазерів. Наприклад, в активованому стані молекула циклопентанону розкладається на оксид вуглецю і 2 молекули етилену.
Фемтосекундні лазери зараз також використовуються в широкому діапазоні областей, таких як фізика, хімія, науки про життя, медицина та техніка, особливо у світлі та електроніці. Це пояснюється тим, що інтенсивність світла може передавати велику кількість інформації з одного місця в інше майже без втрат, ще більше прискорюючи оптичний зв’язок. У галузі ядерної фізики фемтосекундні лазери принесли величезний вплив. Оскільки імпульсне світло має дуже сильне електричне поле, можна прискорити електрони майже до швидкості світла протягом 1 фемтосекунди, тому його можна використовувати як «прискорювач» для прискорення електронів.

Застосування в медицині
Як згадувалося вище, у фемтосекундному світі навіть світло заморожено, тому воно не може подорожувати дуже далеко, але навіть у цьому масштабі часу атоми, молекули в речовині та електрони всередині комп’ютерних мікросхем все ще рухаються по ланцюгах. Якщо фемтосекундний імпульс можна використати, щоб миттєво зупинити його, вивчіть, що відбувається. На додаток до часу зупинки миготіння, фемтосекундні лазери здатні свердлити крихітні отвори в металі розміром до 200 нанометрів (2/10 000 міліметра) в діаметрі. Це означає, що ультракоротке імпульсне світло, яке стискається і блокується всередині за короткий проміжок часу, досягає дивовижного ефекту надвисокої потужності і не завдає додаткової шкоди навколишньому. Крім того, імпульсне світло фемтосекундного лазера може робити надзвичайно тонкі стереоскопічні зображення об’єктів. Стереоскопічна томографія дуже корисна в медичній діагностиці, що відкриває нову область досліджень під назвою оптична інтерференційна томографія. Це стереоскопічне зображення живої тканини та живих клітин, зроблене фемтосекундним лазером. Наприклад, дуже короткий світловий імпульс спрямований на шкіру, імпульсне світло відбивається від поверхні шкіри, і частина імпульсного світла вводиться в шкіру. Внутрішня частина шкіри складається з багатьох шарів, і імпульсне світло, що надходить у шкіру, відбивається у вигляді невеликого імпульсного світла, а внутрішню структуру шкіри можна дізнатися з відлуння цього різного імпульсного світла у відбитому світлі.
Крім того, ця технологія дуже корисна в офтальмології, здатна отримувати стереоскопічні зображення сітківки ока глибоко в оці. Це дозволяє лікарям діагностувати, чи є проблеми з їх тканинами. Цей вид обстеження не обмежується очима. Якщо за допомогою оптичного волокна в організм направляти лазер, то можна обстежити всі тканини різних органів в організмі, і навіть можна перевірити, чи не перетворився він на рак у майбутньому.

Впровадження надточних годинників
Вчені вважають, що якщо aфемтосекундний лазерГодинник виготовлений із використанням видимого світла, він зможе вимірювати час точніше, ніж атомний годинник, і це буде найточніший годинник у світі на довгі роки. Якщо годинник точний, то точність GPS (глобальної системи позиціонування), що використовується для автомобільної навігації, також значно покращиться.
Чому видиме світло може створити точний годинник? Всі годинники і годинники невіддільні від руху маятника і шестерні, і завдяки коливанням маятника з точною частотою вібрації шестерня обертається протягом секунд, і точний годинник не є винятком. Тому, щоб зробити годинник більш точним, необхідно використовувати маятник з більшою частотою вібрації. Кварцові годинники (годинники, які коливаються з кристалами замість маятників) більш точні, ніж маятникові, оскільки кварцовий резонатор коливається частіше за секунду.
Атомний годинник цезію, який зараз є стандартом часу, коливається з частотою близько 9,2 гігагерц (префікс міжнародної одиниці гіга, 1 гіга = 10^9). Атомний годинник використовує власну частоту коливань атомів цезію, щоб замінити маятник мікрохвилями з такою ж частотою коливань, і його точність становить лише 1 секунду за десятки мільйонів років. Навпаки, видиме світло має частоту коливань від 100 000 до 1 000 000 разів вище, ніж у мікрохвиль, тобто використовує енергію видимого світла для створення точних годинників, які в мільйони разів точніші за атомні. Найточніший у світі годинник, що використовує видиме світло, тепер успішно побудовано в лабораторії.
За допомогою цього точного годинника можна перевірити теорію відносності Ейнштейна. Один із цих точних годинників ми поставили в лабораторію, а інший — в офіс на нижньому поверсі, враховуючи те, що може статися, через годину чи дві, результат був таким, як передбачала теорія відносності Ейнштейна, через два різних «гравітаційних поля». " між поверхами два годинники більше не вказують на один і той же час, і годинник внизу працює повільніше, ніж нагорі. З більш точним годинником, можливо, навіть час на зап’ясті та щиколотці був би іншим у той день. Ми можемо просто відчути магію відносності за допомогою точних годинників.

Технологія сповільнення швидкості світла
У 1999 році професор Райнер Хоу з Університету Хаббарда в Сполучених Штатах успішно уповільнив світло до 17 метрів на секунду, швидкість, яку може наздогнати автомобіль, а потім успішно сповільнив до рівня, який може наздогнати навіть велосипед. Цей експеримент включає найсучасніші дослідження в галузі фізики, і ця стаття представляє лише два ключі до успіху експерименту. Один з них — створити «хмару» з атомів натрію при надзвичайно низькій температурі, близькій до абсолютного нуля (-273,15°C), особливому газовому стані, який називається конденсатом Бозе-Ейнштейна. Інший — це лазер, який модулює частоту коливань (лазер для управління) і опромінює ним хмару атомів натрію, і в результаті відбуваються неймовірні речі.
Вчені спочатку використовують керуючий лазер для стиснення імпульсного світла в хмарі атомів, і швидкість надзвичайно сповільнюється. У цей час керуючий лазер вимикається, імпульсне світло зникає, а інформація, що передається імпульсним світлом, зберігається в хмарі атомів. . Потім його опромінюють контрольним лазером, імпульсне світло відновлюється, і воно виходить з хмари атомів. Таким чином, спочатку стиснутий імпульс знову розтягується, і швидкість відновлюється. Весь процес введення імпульсної світлової інформації в атомну хмару подібний до читання, зберігання та скидання в комп’ютері, тому ця технологія корисна для реалізації квантових комп’ютерів.

Світ від «фемтосекунди» до «аттосекунди»
Фемтосекундвиходять за межі нашої уяви. Тепер ми знову у світі аттосекунд, які коротші за фемтосекунди. A – це абревіатура для префікса SI atto. 1 аттосекунда = 1 × 10^-18 секунд = одна тисячна фемтосекунди. Атосекундні імпульси не можна зробити за допомогою видимого світла, оскільки для скорочення імпульсу необхідно використовувати коротші довжини хвилі світла. Наприклад, у разі створення імпульсів з червоним видимим світлом неможливо зробити імпульси коротшими за цю довжину хвилі. Обмеження видимого світла становить близько 2 фемтосекунд, для аттосекундних імпульсів використовуються рентгенівські або гамма-промені з короткою довжиною хвилі. Що буде відкрито в майбутньому за допомогою аттосекундних рентгенівських імпульсів, незрозуміло. Наприклад, використання аттосекундних спалахів для візуалізації біомолекул дозволяє нам спостерігати їхню активність у надзвичайно коротких часових масштабах і, можливо, точно визначити структуру біомолекул.