Η εφαρμογή των λέιζερ Femtosecond

Τα λέιζερ Femtosecond είναι συσκευές παραγωγής «υπερμικρού παλμικού φωτός» που εκπέμπουν φως για εξαιρετικά σύντομο χρονικό διάστημα μόνο περίπου ενός gigabit του δευτερολέπτου. Το Femto είναι η συντομογραφία του διεθνούς συστήματος μονάδων femto (femto), 1 femtosecond=1 × 10^-15 δευτερόλεπτα. Το λεγόμενο παλμικό φως είναι μόνο σε μια στιγμή για να απελευθερώσει φως. Ο χρόνος εκπομπής φωτός του φλας της κάμερας είναι περίπου 1 μικροδευτερόλεπτο, επομένως ο εξαιρετικά σύντομος παλμός φωτός femtosecond είναι μόνο περίπου το ένα δισεκατομμυριοστό του χρόνου του για να απελευθερώσει φως. Όπως όλοι γνωρίζουμε, η ταχύτητα του φωτός είναι 300,{10}} χιλιόμετρα ανά δευτερόλεπτο (7 και μισή βδομάδες γύρω από τη γη σε 1 δευτερόλεπτο) απαράμιλλη ταχύτητα, αλλά κατά τη διάρκεια 1 femtosecond το ομοιόμορφο φως είναι μόλις 0,3 μικρά μπροστά.
Συνήθως, χρησιμοποιούμε φωτογράφηση με φλας για να μπορέσουμε να κόψουμε τη στιγμιαία κατάσταση του κινούμενου αντικειμένου. Ομοίως, με ένα φλας λέιζερ femtosecond, είναι δυνατό να δούμε κάθε θραύσμα μιας χημικής αντίδρασης που συμβαίνει με βίαιη ταχύτητα. Για το λόγο αυτό, τα λέιζερ femtosecond μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη μελέτη του μυστηρίου των χημικών αντιδράσεων.
Οι χημικές αντιδράσεις γενικά λαμβάνουν χώρα μετά από μια ενδιάμεση κατάσταση υψηλής ενέργειας, τη λεγόμενη «ενεργοποιημένη κατάσταση». Η ύπαρξη της κατάστασης ενεργοποίησης είχε προβλεφθεί θεωρητικά από τον χημικό Arrhenius το 1889, αλλά δεν μπορούσε να παρατηρηθεί άμεσα γιατί υπήρχε σε πολύ σύντομο χρονικό διάστημα. Ωστόσο, η ύπαρξή του αποδείχθηκε άμεσα από ένα λέιζερ femtosecond στα τέλη της δεκαετίας του 1980, και αυτό είναι ένα παράδειγμα μιας χημικής αντίδρασης που ταυτοποιήθηκε με ένα λέιζερ femtosecond. Για παράδειγμα, η αποσύνθεση ενός μορίου κυκλοπεντανόνης σε μονοξείδιο του άνθρακα και δύο μόρια αιθυλενίου σε ενεργοποιημένη κατάσταση.
Σήμερα, τα λέιζερ femtosecond χρησιμοποιούνται επίσης σε ένα ευρύ φάσμα πεδίων όπως η φυσική, η χημεία, οι βιοεπιστήμες, η ιατρική, η μηχανική κ.λπ. Ειδικότερα, το φως και η ηλεκτρονική πάνε χέρι-χέρι και αναμένεται να ανοίξουν κάθε είδους νέες δυνατότητες σε τον τομέα της επικοινωνίας ή των υπολογιστών και της ενέργειας. Αυτό συμβαίνει επειδή η ένταση του φωτός μπορεί να μεταδώσει μεγάλο όγκο πληροφοριών από το ένα μέρος στο άλλο σχεδόν χωρίς απώλειες, καθιστώντας την οπτική επικοινωνία ακόμη μεγαλύτερη ταχύτητα. Στον τομέα της πυρηνικής φυσικής, τα λέιζερ femtosecond έχουν κάνει τεράστιο αντίκτυπο. Επειδή το παλμικό φως έχει πολύ ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο, είναι δυνατό να επιταχύνει τα ηλεκτρόνια κοντά στην ταχύτητα του φωτός σε 1 femtosecond και επομένως μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως «πεντάλ αερίου» για την επιτάχυνση των ηλεκτρονίων.
Ιατρικές εφαρμογές
Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, ο κόσμος σε femtoseconds είναι τόσο παγωμένος που ακόμη και το φως δεν μπορεί να κινηθεί πολύ μακριά, αλλά ακόμη και σε αυτή τη χρονική κλίμακα, άτομα και μόρια στην ύλη και ηλεκτρόνια σε κυκλώματα μέσα σε τσιπ υπολογιστών εξακολουθούν να κινούνται. Εάν χρησιμοποιείτε παλμούς femtosecond, μπορείτε να το κάνετε να σταματήσει αμέσως και να μελετήσετε τι συμβαίνει. Εκτός από τις αναλαμπές που σταματούν το χρόνο, τα λέιζερ femtosecond είναι ικανά να ανοίγουν μικροσκοπικές οπές σε μέταλλο με διάμετρο έως και 200 ​​νανόμετρα (δύο χιλιοστά του χιλιοστού). Αυτό σημαίνει ότι οι εξαιρετικά σύντομοι παλμοί φωτός που συμπιέζονται και κλειδώνονται μέσα για σύντομο χρονικό διάστημα έχουν εκπληκτικά υψηλή απόδοση χωρίς πρόσθετη ζημιά στη γύρω περιοχή. Επιπλέον, το παλμικό φως από το λέιζερ femtosecond είναι ικανό να τραβήξει εξαιρετικά λεπτές στερεοφωνικές εικόνες του θέματος. Η στερεοσκοπική φωτογραφία είναι πολύ χρήσιμη στην ιατρική διάγνωση, ανοίγοντας έτσι ένα νέο πεδίο έρευνας που ονομάζεται οπτική τομογραφία παρεμβολής. Αυτή είναι η χρήση λέιζερ femtosecond για τη λήψη στερεοσκοπικών εικόνων ζωντανών ιστών και κυττάρων. Για παράδειγμα, ένας πολύ σύντομος παλμός φωτός στοχεύει στο δέρμα και το παλμικό φως αντανακλάται στην επιφάνεια του δέρματος, με ένα μέρος του παλμικού φωτός να κατευθύνεται στο δέρμα. Το εσωτερικό του δέρματος αποτελείται από πολλά στρώματα και το παλμικό φως που εκτοξεύεται στο δέρμα αναπηδά ως μικροί παλμοί και από τις ηχώ αυτών των διαμορφωμένων παλμικών φώτων στο ανακλώμενο φως, είναι δυνατόν να γνωρίζουμε την εσωτερική δομή του το δέρμα.
Επιπλέον, αυτή η τεχνολογία έχει μεγάλη χρησιμότητα στην οφθαλμολογία, όπου είναι δυνατή η λήψη στερεοσκοπικών εικόνων του αμφιβληστροειδούς βαθιά μέσα στο μάτι. Οι γιατροί είναι έτσι σε θέση να διαγνώσουν εάν υπάρχει πρόβλημα με τους ιστούς του. Αυτή η εξέταση δεν περιορίζεται στα μάτια, αλλά εάν το λέιζερ σταλεί στο σώμα με οπτικές ίνες, μπορούν να εξεταστούν όλοι οι ιστοί διαφόρων οργάνων του σώματος και στο μέλλον μπορεί ακόμη και να ελεγχθεί αν έχουν γίνει καρκινώδης.
Αποκτήστε εξαιρετικά ακριβές ρολόι
Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι εάν ένα ρολόι με λέιζερ femtosecond κατασκευαστεί χρησιμοποιώντας ορατό φως, θα μπορεί να μετρήσει τον χρόνο με μεγαλύτερη ακρίβεια από ένα ατομικό ρολόι και θα χρησιμεύσει ως το πιο ακριβές ρολόι στον κόσμο τα επόμενα χρόνια. Εάν το ρολόι είναι ακριβές, τότε βελτιώνει επίσης σημαντικά την ακρίβεια του GPS (Global Positioning System) που χρησιμοποιείται για την πλοήγηση αυτοκινήτου.
Γιατί το ορατό φως μπορεί να κάνει ακριβή ρολόγια; Όλα τα ρολόγια και τα ρολόγια δεν έχουν εκκρεμές και γρανάζια για κίνηση, μέσω της ταλάντευσης του εκκρεμούς με ακριβή συχνότητα κραδασμών, έτσι ώστε τα γρανάζια να γυρίζουν δευτερόλεπτα, τα ακριβή ρολόγια δεν αποτελούν εξαίρεση. Επομένως, για να δημιουργηθούν πιο ακριβή ρολόγια, είναι απαραίτητο να χρησιμοποιήσετε ένα εκκρεμές με μεγαλύτερη συχνότητα δόνησης. Τα ρολόγια χαλαζία (ρολόγια με κρυσταλλικές ταλαντώσεις αντί για εκκρεμές) είναι πιο ακριβή από τα ρολόγια με εκκρεμές, και αυτό συμβαίνει επειδή οι συντονιστές χαλαζία ταλαντώνονται περισσότερες φορές ανά δευτερόλεπτο.
Η συχνότητα ταλάντωσης του ατομικού ρολογιού καισίου, που είναι πλέον το πρότυπο του χρόνου, είναι περίπου 9,2 gigahertz (η λέξη κεφαλή της διεθνούς μονάδας giga, 1 gig=10^9). Ατομικό ρολόι είναι η χρήση ατόμων καισίου εγγενή συχνότητα ταλάντωσης, με τη συχνότητα ταλάντωσής του να είναι σύμφωνη με το φούρνο μικροκυμάτων αντί για το εκκρεμές, η ακρίβειά του είναι δεκάδες εκατομμύρια χρόνια μόνο 1 δευτερόλεπτο διαφορά. Αντίθετα, το ορατό φως έχει συχνότητα ταλάντωσης 100,000 έως 1 εκατομμύριο φορές υψηλότερη από τη συχνότητα ταλάντωσης των μικροκυμάτων, δηλαδή, το ορατό φως μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία ρολογιών ακριβείας με εκατομμύριο φορές μεγαλύτερη ακρίβεια από τα ατομικά ρολόγια. Τώρα το πιο ακριβές ρολόι στον κόσμο που χρησιμοποιεί ορατό φως κατασκευάστηκε με επιτυχία στο εργαστήριο.
Με τη βοήθεια αυτού του ακριβούς ρολογιού είναι δυνατό να επαληθευτεί η θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν. Θα είμαστε ένα τόσο ακριβές ρολόι στο εργαστήριο, το άλλο στο γραφείο κάτω, εξετάστε την πιθανή κατάσταση, μετά από μία ή δύο ώρες, τα αποτελέσματα όπως προβλέπονται από τη θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν, λόγω των δύο στρωμάτων έχουν διαφορετικό "βαρυτικό πεδίο" μεταξύ των δύο ρολογιών δεν δείχνει πλέον την ίδια ώρα, το ρολόι κάτω από το ρολόι στον επάνω όροφο Το ρολόι στον κάτω όροφο κινείται πιο αργά από το ρολόι στον επάνω όροφο. Με ένα πιο ακριβές ρολόι, ίσως ακόμη και το ρολόι στον καρπό και στον αστράγαλο να μην είχαν την ίδια ώρα εκείνη την ημέρα. Μπορούμε απλά να ζήσουμε τη γοητεία της σχετικότητας με τη βοήθεια ακριβών ρολογιών.
Τεχνολογία επιβράδυνσης φωτός
Το 1999, ο καθηγητής Rainer Howe του Πανεπιστημίου Hubbart στις Ηνωμένες Πολιτείες πέτυχε να επιβραδύνει το φως στα 17 μέτρα ανά δευτερόλεπτο, μια ταχύτητα που μπορούσε να φτάσει ένα αυτοκίνητο και αργότερα σε μια ταχύτητα που ακόμη και ένα ποδήλατο μπορούσε να φτάσει. Αυτό το πείραμα περιλαμβάνει έρευνα στην πρώτη γραμμή της φυσικής, και σε αυτό το άρθρο παρουσιάζονται μόνο δύο κλειδιά για την επιτυχία του πειράματος. Το ένα είναι η κατασκευή ενός «νέφους» ατόμων νατρίου σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν (-273,15 μοίρες), μια ειδική αέρια κατάσταση γνωστή ως συμπύκνωμα Bose-Einstein. Το άλλο είναι ένα λέιζερ (laser ελέγχου) που ρυθμίζει τη συχνότητα των κραδασμών και ακτινοβολεί με αυτό το νέφος των ατόμων νατρίου, με αποτέλεσμα να συμβαίνει κάτι απίστευτο.
Πρώτα απ 'όλα, με τη βοήθεια του λέιζερ ελέγχου, το παλμικό φως συμπιέστηκε στο νέφος των ατόμων και επιβραδύνθηκε σε ακραία ταχύτητα. Στη συνέχεια, το λέιζερ ελέγχου λάμπει ξανά και το παλμικό φως αποκαθίσταται και βγαίνει από το ατομικό νέφος. Οι παλμοί που συμπιέστηκαν στη συνέχεια διευρύνονται ξανά και η ταχύτητα αποκαθίσταται. Η όλη διαδικασία εισαγωγής των πληροφοριών παλμικού φωτός στο ατομικό νέφος είναι παρόμοια με την ανάγνωση, την αποθήκευση και την επαναφορά σε έναν υπολογιστή, επομένως αυτή η τεχνική είναι χρήσιμη για την υλοποίηση κβαντικών υπολογιστών.
Από το "femtosecond" στον "attosecond" κόσμο
Τα femtoseconds είναι ήδη πέρα ​​από τη φαντασία μας. Τώρα μπαίνουμε στον κόσμο του "attosecond" που είναι ακόμη μικρότερος από το femtosecond. Το A είναι η συντομογραφία της λέξης atto του Διεθνούς Συστήματος Μονάδων (SI). 1 attosecond=1 x 10^-18 seconds=1 χιλιοστό του femtosecond. Ένας παλμός attosecond δεν μπορεί να γίνει με ορατό φως, επειδή οι μικρότεροι παλμοί πρέπει να γίνονται με μικρότερα μήκη κύματος φωτός. Για παράδειγμα, εάν θέλετε να δημιουργήσετε έναν παλμό με κόκκινο ορατό φως, δεν είναι δυνατό να δημιουργήσετε έναν παλμό με μικρότερο μήκος κύματος από αυτό. Το ορατό φως είναι το όριο των περίπου 2 femtoseconds, και για αυτό το λόγο οι παλμοί attosecond γίνονται με μικρότερα μήκη κύματος ακτίνων Χ ή ακτίνων γάμμα. Δεν είναι σαφές τι μπορεί να βρεθεί στο μέλλον χρησιμοποιώντας έναν παλμό ακτίνων Χ attosecond. Για παράδειγμα, χρησιμοποιώντας μια ενδιάμεση λάμψη attosecond για την οπτικοποίηση ενός βιομορίου, είναι δυνατό να παρατηρηθεί η δραστηριότητά του σε πολύ σύντομη χρονική κλίμακα και ίσως να εντοπιστεί η δομή του βιομορίου.