Anvendelsen af ​​femtosekundlasere

Femtosekundlasere er "ultrashort pulsed light"-genererende enheder, der udsender lys i en ultrakort periode på kun omkring en gigabit af et sekund. Femto er forkortelsen af ​​det internationale enhedssystem femto (femto), 1 femtosekund=1 × 10^-15 sekunder. Det såkaldte pulserende lys er kun om et øjeblik til at frigive lys. Den lysemitterende tid for kameraets blitz er omkring 1 mikrosekund, så den ultrakorte puls af femtosekundslys er kun omkring en milliarddel af sin tid til at frigive lys. Som vi alle ved, er lysets hastighed 300,000 kilometer i sekundet (7 og en halv uge rundt om jorden på 1 sekund) en uovertruffen hastighed, men i løbet af 1 femtosekund er selv lys kun 0,3 mikron fremad.
Normalt bruger vi blitzfotografering for at kunne skære den øjeblikkelige tilstand af det bevægelige objekt. På samme måde er det med et femtosekund laserblitz muligt at se hvert fragment af en kemisk reaktion, der foregår med en voldsom hastighed. Af denne grund kan femtosekundlasere bruges til at studere mysteriet om kemiske reaktioner.
Kemiske reaktioner finder generelt sted efter en mellemtilstand med høj energi, den såkaldte "aktiverede tilstand". Eksistensen af ​​aktiveringstilstanden blev teoretisk forudsagt af kemikeren Arrhenius i 1889, men den kunne ikke observeres direkte, fordi den eksisterede på meget kort tid. Imidlertid blev dens eksistens direkte demonstreret af en femtosekundlaser i slutningen af ​​1980'erne, og dette er et eksempel på en kemisk reaktion identificeret med en femtosekundlaser. For eksempel nedbrydning af et cyclopentanonmolekyle til kulilte og to ethylenmolekyler i aktiveret tilstand.
I dag bruges femtosekundlasere også inden for en lang række områder som fysik, kemi, biovidenskab, medicin, teknik osv. Især lys og elektronik går hånd i hånd og forventes at åbne op for alle mulige nye muligheder inden for kommunikationsområdet eller computere og energi. Dette skyldes, at lysintensiteten næsten uden tab kan overføre en stor mængde information fra et sted til et andet, hvilket gør optisk kommunikation yderligere højhastighedstog. Inden for kernefysik har femtosekundlasere gjort en enorm indflydelse. Fordi pulseret lys har et meget stærkt elektrisk felt, er det muligt at accelerere elektroner til nær lysets hastighed på 1 femtosekund, og kan derfor bruges som en "gaspedal" til at accelerere elektroner.
Medicinske applikationer
Som nævnt ovenfor er verden i femtosekunder så frosset, at selv lys ikke kan bevæge sig særlig langt, men selv på denne tidsskala bevæger atomer og molekyler i stof og elektroner i kredsløb inde i computerchips sig stadig. Hvis du bruger femtosekundpulser, kan du få det til at stoppe øjeblikkeligt og studere, hvad der sker. Ud over blink, der stopper tiden, er femtosekundlasere i stand til at bore mikroskopiske huller i metal ned til 200 nanometer (to tusindedele af en millimeter) i diameter. Det betyder, at de ultrakorte lysimpulser, der komprimeres og låses inde i en kort periode, får et forbløffende højt output uden yderligere skader på det omkringliggende område. Ydermere er det pulserende lys fra femtosekundlaseren i stand til at tage ekstremt fine stereobilleder af motivet. Stereoskopisk fotografering er til stor nytte i medicinsk diagnostik og åbner dermed op for et nyt forskningsfelt kaldet optisk interferenstomografi. Dette er brugen af ​​femtosekundlasere til at tage stereoskopiske billeder af levende væv og celler. For eksempel rettes en meget kort lysimpuls mod huden, og det pulserende lys reflekteres på hudens overflade, hvor en del af det pulserende lys ledes ind i huden. Det indvendige af huden består af mange lag, og det pulserende lys, der skydes ind i huden, kastes tilbage som små pulser, og ud fra ekkoerne af disse formede pulserende lys i det reflekterede lys, er det muligt at kende den indre struktur af huden. huden.
Derudover har denne teknologi stor nytte i oftalmologi, hvor det er muligt at tage stereoskopiske billeder af nethinden dybt inde i øjet. Læger er således i stand til at diagnosticere, om der er et problem med dets væv. Denne undersøgelse er ikke begrænset til øjnene, men hvis laseren sendes ind i kroppen med fiberoptik, kan alt væv fra forskellige organer i kroppen undersøges, og i fremtiden kan det endda være muligt at kontrollere, om de er blevet kræftfremkaldende.
Opnå ultrapræcis ur
Forskere mener, at hvis et ur med femtosekundlaser laves ved hjælp af synligt lys, vil det være i stand til at måle tiden mere præcist end et atomur og vil fungere som verdens mest nøjagtige ur i de kommende år. Hvis uret er nøjagtigt, så forbedrer det også i høj grad nøjagtigheden af ​​GPS'en (Global Positioning System), der bruges til bilnavigation.
Hvorfor kan synligt lys lave nøjagtige ure? Alle ure og ure har ikke et pendul og gear til bevægelse, gennem pendulets svingning med en præcis vibrationsfrekvens, så gearene drejer sekunder, præcise ure er ingen undtagelse. Derfor, for at skabe mere nøjagtige ure, er det nødvendigt at bruge et pendul med en højere vibrationsfrekvens. Kvartsure (ure med krystalsvingninger i stedet for penduler) er mere nøjagtige end pendulure, og det skyldes, at kvartsresonatorer svinger flere gange i sekundet.
Svingningsfrekvensen for cæsium-atomuret, som nu er tidsstandarden, er omkring 9,2 gigahertz (ordet hoved for den internationale enhed giga, 1 gig=10^9). Atomur er brugen af ​​cæsium atomer iboende frekvens af oscillation, med dens oscillation frekvens i overensstemmelse med mikrobølge i stedet for pendulet, dens nøjagtighed er titusinder af millioner af år kun 1 sekund forskel. I modsætning hertil har synligt lys en oscillationsfrekvens 100,000 til 1 million gange højere end mikrobølgeoscillationsfrekvensen, det vil sige, synligt lys kan bruges til at skabe præcisionsure med en million gange højere nøjagtighed end atomure. Nu er verdens mest nøjagtige ur, der bruger synligt lys, med succes blevet bygget i laboratoriet.
Ved hjælp af dette præcise ur er det muligt at verificere Einsteins relativitetsteori. Vi vil være sådan et præcist ur i laboratoriet, den anden på kontoret nedenunder, overveje den mulige situation, efter en eller to timer, resultaterne som forudsagt af Einsteins relativitetsteori, på grund af de to lag har forskellige "tyngdefelt" mellem de to ure ikke længere peger på samme tid, uret nedenunder end uret ovenpå Uret nedenunder bevæger sig langsommere end uret ovenpå. Med et mere præcist ur ville selv uret på håndleddet og anklen måske ikke have samme tid den dag. Vi kan simpelthen opleve fascinationen af ​​relativitet ved hjælp af nøjagtige ure.
Teknologi, der bremser let
I 1999 lykkedes det for professor Rainer Howe fra Hubbart University i USA at bremse lyset til 17 meter i sekundet, en hastighed som en bil kunne hamle op med, og senere til en hastighed som selv en cykel kunne hamle op med. Dette eksperiment involverer forskning på forkant med fysikken, og i denne artikel præsenteres kun to nøgler til eksperimentets succes. Den ene er konstruktionen af ​​en "sky" af natriumatomer ved ekstremt lave temperaturer tæt på det absolutte nulpunkt (-273.15 grader ), en speciel gastilstand kendt som et Bose-Einstein-kondensat. Den anden er en laser (kontrollaser), der regulerer frekvensen af ​​vibrationer og bestråler skyen af ​​natriumatomer med den, med det resultat, at der sker noget utroligt.
Først og fremmest blev det pulserende lys ved hjælp af kontrollaseren komprimeret i skyen af ​​atomer og bremset ned til en ekstrem hastighed. Derefter skinner kontrollaseren igen, og det pulserende lys genoprettes og kommer ud af atomskyen. De pulser, der blev komprimeret, udvides derefter igen, og hastigheden genoprettes. Hele processen med at indtaste den pulserede lysinformation i atomskyen ligner læsning, lagring og nulstilling i en computer, så denne teknik er nyttig til implementering af kvantecomputere.
Fra "femtosecond" til "attosecond" verden
Femtosekunder er allerede over vores fantasi. Nu begiver vi os ud i verden af ​​"attosecond", som er endnu kortere end femtosekund. A er forkortelsen af ​​det internationale system af enheder (SI) ordet atto. 1 attoseund=1 x 10^-18 sekunder=1 tusindedel af et femtosekund. En attosekondimpuls kan ikke laves med synligt lys, fordi kortere impulser skal laves med kortere bølgelængder af lys. Hvis du for eksempel vil lave en puls med rødt synligt lys, er det ikke muligt at lave en puls med en kortere bølgelængde end det. Synligt lys er grænsen på omkring 2 femtosekunder, og af denne grund laves attosekundens pulser med kortere bølgelængder af røntgenstråler eller gammastråler. Det er ikke klart, hvad der kan findes i fremtiden ved hjælp af en attosecond røntgenpuls. For eksempel, ved at bruge en attosecond inter-flash til at visualisere et biomolekyle, er det muligt at observere dets aktivitet på en meget kort tidsskala og måske identificere strukturen af ​​biomolekylet.