Femtosekundlaserite kasutamine

Femtosekundilised laserid on "ülilühikese impulssvalguse" genereerivad seadmed, mis kiirgavad valgust ülilühikese aja jooksul, vaid umbes ühe gigabiti sekundi jooksul. Femto on rahvusvahelise ühikute süsteemi femto (femto) lühend, 1 femtosekund=1 × 10^-15 sekundit. Nn impulssvalgus vabastab valgust vaid hetkega. Kaamera välklambi valgust kiirgav aeg on umbes 1 mikrosekund, seega on femtosekundilise valguse ülilühike impulss valguse vabastamise ajast vaid umbes üks miljardik. Nagu me kõik teame, on valguse kiirus 300,{10}} kilomeetrit sekundis (7 ja pool nädalat ümber Maa 1 sekundiga) võrratu kiirusega, kuid 1 femtosekundi jooksul liigub isegi valgus vaid 0,3 mikronit edasi.
Tavaliselt kasutame välklambiga fotograafiat, et saaksime kärpida liikuva objekti hetkeseisundit. Samamoodi on femtosekundilise laseri välklambiga võimalik näha iga vägivaldse kiirusega toimuva keemilise reaktsiooni fragmenti. Sel põhjusel saab femtosekundeid lasereid kasutada keemiliste reaktsioonide müsteeriumi uurimiseks.
Keemilised reaktsioonid toimuvad üldiselt pärast kõrge energiaga vahepealset olekut, nn "aktiveeritud olekut". Aktivatsiooniseisundi olemasolu ennustas teoreetiliselt keemik Arrhenius 1889. aastal, kuid seda ei saanud otseselt jälgida, kuna see eksisteeris väga lühikese aja jooksul. Selle olemasolu näitas aga otseselt femtosekundiline laser 1980. aastate lõpus ja see on näide keemilisest reaktsioonist, mis tuvastati femtosekundilise laseriga. Näiteks tsüklopentanooni molekuli lagunemine aktiveeritud olekus süsinikmonooksiidiks ja kaheks etüleeni molekuliks.
Tänapäeval kasutatakse femtosekundeid lasereid ka paljudes valdkondades, nagu füüsika, keemia, bioteadused, meditsiin, inseneriteadus jne. Eelkõige käivad valgus ja elektroonika käsikäes ning loodetakse avada igasuguseid uusi võimalusi side või arvuti ja energeetika valdkond. Seda seetõttu, et valguse intensiivsus võib peaaegu kadudeta edastada suure hulga teavet ühest kohast teise, muutes optilise side veelgi kiiremaks. Tuumafüüsika valdkonnas on femtosekundilaserid avaldanud tohutut mõju. Kuna impulssvalgusel on väga tugev elektriväli, on võimalik kiirendada elektrone 1 femtosekundiga valguse kiiruse lähedale ja seetõttu saab seda kasutada "gaasipedaalina" elektronide kiirendamiseks.
Meditsiinilised rakendused
Nagu eespool mainitud, on maailm femtosekundites nii külmunud, et isegi valgus ei saa väga kaugele liikuda, kuid isegi praegusel ajaskaalal liiguvad aines olevad aatomid ja molekulid ning arvutikiipide sees olevates ahelates elektronid endiselt. Kui kasutate femtosekundilisi impulsse, saate selle kohe peatada ja toimuvat uurida. Lisaks välkudele, mis peatavad aega, on femtosekundilised laserid võimelised puurima metalli mikroskoopilisi auke, mille läbimõõt on kuni 200 nanomeetrit (kaks tuhandikku millimeetrit). See tähendab, et kokkusurutud ja lühikeseks ajaks sees lukustatud ülilühikesed valgusimpulssid annavad hämmastavalt suure väljundi ilma ümbritsevat piirkonda täiendavalt kahjustamata. Lisaks on femtosekundilise laseri impulssvalgus võimeline jäädvustama objektist ülipeeneid stereopilte. Stereoskoopiline fotograafia on meditsiinilises diagnostikas väga kasulik, avades seega uue uurimisvaldkonna, mida nimetatakse optiliste interferentsi tomograafiaks. See on femtosekundiliste laserite kasutamine eluskudede ja rakkude stereoskoopiliste kujutiste tegemiseks. Näiteks on väga lühike valgusimpulss suunatud nahale ja impulssvalgus peegeldub naha pinnale, kusjuures osa impulssvalgusest suunatakse nahka. Naha sisemus koosneb paljudest kihtidest ning nahka lastud impulssvalgus põrkab tagasi väikeste impulssidena ning nende kujuliste impulsstulede kajadest peegeldunud valguses on võimalik teada naha sisemist struktuuri. nahk.
Lisaks on see tehnoloogia väga kasulik oftalmoloogias, kus on võimalik teha sügaval silma sees olevast võrkkesta stereoskoopilisi pilte. Arstid saavad seega diagnoosida, kas selle kudedes on probleeme. See uuring ei piirdu ainult silmadega, vaid kui laser fiiberoptikaga kehasse saata, saab uurida kõiki organismi erinevate organite kudesid ning edaspidi võib ehk isegi kontrollida, kas need on muutunud. vähkkasvaja.
Saavutage ülitäpne kell
Teadlased usuvad, et kui femtosekundilise laseriga kell valmistatakse nähtava valguse abil, suudab see mõõta aega täpsemalt kui aatomkell ning toimib lähiaastatel maailma täpseima kellana. Kui kell on täpne, siis parandab see kõvasti ka autonavigatsiooniks kasutatava GPS-i (Global Positioning System) täpsust.
Miks saab nähtav valgus teha täpseid kellasid? Kõigil kelladel ei ole pendlit ja hammasrattaid liikumiseks, läbi pendli pöörde täpse vibratsioonisagedusega, nii et käigud pöörlevad sekundeid, täpsed kellad pole erandiks. Seetõttu on täpsemate kellade loomiseks vaja kasutada kõrgema vibratsioonisagedusega pendlit. Kvartskellad (pendlite asemel kristallvõnkudega kellad) on täpsemad kui pendlikellad ja seda seetõttu, et kvartsresonaatorid võnguvad rohkem kordi sekundis.
Praegu aja standardiks oleva tseesiumi aatomkella võnkesagedus on umbes 9,2 gigahertsi (rahvusvahelise ühiku giga sõna pea, 1 gig=10^9). Aatomkell on tseesiumi aatomite võnkesageduse kasutamine, mille võnkesagedus on pendli asemel mikrolaineahjus kooskõlas, selle täpsus on kümneid miljoneid aastaid vaid 1 sekundi erinevus. Seevastu nähtava valguse võnkesagedus on 100, 000 kuni 1 miljon korda kõrgem kui mikrolaine võnkesagedus, see tähendab, et nähtavat valgust saab kasutada täppiskellade loomiseks, mille täpsus on miljon korda suurem kui aatomkelladel. Nüüd on laboris edukalt ehitatud maailma kõige täpsem nähtavat valgust kasutav kell.
Selle täpse kella abil on võimalik kontrollida Einsteini relatiivsusteooriat. Me oleme nii täpne kell laboris, teine ​​allkorruse kontoris, kaaluge võimalikku olukorda, ühe-kahe tunni pärast on tulemused nagu ennustas Einsteini relatiivsusteooria, kuna kahel kihil on erinev "gravitatsiooniväli" kahe kella vahel ei näita enam sama kellaaega, kell allkorrusel kui kell üleval Kell alumisel korrusel liigub aeglasemalt kui kell üleval. Täpsema kellaga ei oleks ehk isegi randmel ja pahkluul oleval kellal sel päeval sama kellaaeg. Täpsete kellade abil saame lihtsalt kogeda relatiivsusteooria võlu.
Valgust aeglustav tehnoloogia
1999. aastal õnnestus USA Hubbarti ülikooli professoril Rainer Howe'il aeglustada valgust 17 meetrini sekundis – kiiruseni, millele auto võiks järele jõuda, ja hiljem kiiruseni, millele jõudis järele isegi jalgratas. See eksperiment hõlmab teadusuuringuid füüsika esirinnas ja selles artiklis on esitatud ainult kaks katse edu võtit. Üks neist on naatriumi aatomite "pilve" ehitamine absoluutse nulli lähedal (-273,15 kraadi) ülimadalatel temperatuuridel, eriline gaasi olek, mida tuntakse Bose-Einsteini kondensaadina. Teine on laser (kontrolllaser), mis reguleerib vibratsiooni sagedust ja kiiritab sellega naatriumi aatomite pilve, mille tulemusel juhtub midagi uskumatut.
Esiteks suruti aatomipilves pulssvalgus juhtlaseri abil kokku ja aeglustati äärmusliku kiiruseni. Seejärel valgustatakse uuesti kontrolllaserit ning impulssvalgus taastub ja väljub aatomipilvest. Seejärel laiendatakse kokkusurutud impulsse uuesti ja kiirus taastub. Kogu impulssvalguse teabe aatomipilve sisestamise protsess sarnaneb arvutis lugemise, salvestamise ja lähtestamisega, seega on see tehnika kasulik kvantarvutite rakendamisel.
"Femtosekundist" "attosekundi" maailmani
Femtosekundid on juba üle meie kujutlusvõime. Nüüd seikleme "attosekundi" maailma, mis on isegi lühem kui femtosekund. A on rahvusvahelise mõõtühikute süsteemi (SI) sõna atto lühend. 1 attosekund=1 x 10^-18 sekundit=1 tuhandik femtosekundist. Attosekundilist impulssi ei saa teha nähtava valgusega, sest lühemaid impulsse tuleb teha lühema valguse lainepikkusega. Näiteks kui soovite luua punase nähtava valgusega impulsi, ei ole võimalik luua sellest lühema lainepikkusega impulssi. Nähtav valgus on umbes 2 femtosekundi piir ja sel põhjusel tehakse attosekundilised impulsid lühema lainepikkusega röntgen- või gammakiirgusega. Ei ole selge, mida saab tulevikus attosekundilise röntgenimpulsi abil leida. Näiteks kasutades biomolekuli visualiseerimiseks attosekundite vahelist välku, on võimalik jälgida selle aktiivsust väga lühikese aja skaalal ja ehk tuvastada biomolekuli struktuuri.