Femtosekundový laser

A femtosekundový laserje zariadenie generujúce "ultrakrátke pulzné svetlo", ktoré vyžaruje svetlo iba počas ultrakrátkeho času približne jednej gigasekundy. Fei je skratka pre Femto, predponu medzinárodného systému jednotiek a 1 femtosekunda = 1×10^-15 sekúnd. Takzvané pulzné svetlo vyžaruje svetlo len na okamih. Doba vyžarovania svetla blesku fotoaparátu je asi 1 mikrosekundu, takže ultrakrátky pulzný svetlomet femtosekundy vyžaruje svetlo len asi jednu miliardtinu svojho času. Ako všetci vieme, rýchlosť svetla je 300 000 kilometrov za sekundu (7 a pol kruhov okolo Zeme za 1 sekundu) pri bezkonkurenčnej rýchlosti, ale za 1 femtosekundu sa aj svetlo posunie len o 0,3 mikrónu.

Pri fotografovaní s bleskom sme často schopní vystrihnúť momentálny stav pohybujúceho sa objektu. Podobne, ak zabliká femtosekundový laser, je možné vidieť každý fragment chemickej reakcie, aj keď prebieha prudkou rýchlosťou. Na tento účel možno použiť femtosekundové lasery na štúdium tajomstva chemických reakcií.
Všeobecné chemické reakcie sa uskutočňujú po prechode cez prechodný stav s vysokou energiou, takzvaný "aktivovaný stav". Existenciu aktivovaného stavu teoreticky predpovedal chemik Arrhenius už v roku 1889, no nemožno ho priamo pozorovať, pretože existuje veľmi krátko. Ale jeho existenciu priamo demonštrovali femtosekundové lasery koncom osemdesiatych rokov minulého storočia, príklad toho, ako možno pomocou femtosekundových laserov presne určiť chemické reakcie. Napríklad molekula cyklopentanónu sa aktivovaným stavom rozloží na oxid uhoľnatý a 2 molekuly etylénu.
Femtosekundové lasery sa teraz používajú aj v širokej škále oblastí, ako je fyzika, chémia, biologické vedy, medicína a inžinierstvo, najmä v oblasti svetla a elektroniky. Intenzita svetla totiž dokáže preniesť veľké množstvo informácií z jedného miesta na druhé takmer bez straty, čím sa optická komunikácia ešte zrýchli. V oblasti jadrovej fyziky priniesli femtosekundové lasery obrovský vplyv. Pretože pulzné svetlo má veľmi silné elektrické pole, je možné urýchliť elektróny takmer na rýchlosť svetla v priebehu 1 femtosekundy, takže ho možno použiť ako „urýchľovač“ na urýchľovanie elektrónov.

Aplikácia v medicíne
Ako bolo spomenuté vyššie, vo femtosekundovom svete je dokonca svetlo zamrznuté, takže nemôže cestovať veľmi ďaleko, ale aj v tomto časovom rozmedzí sa atómy, molekuly v hmote a elektróny vo vnútri počítačových čipov stále pohybujú v obvodoch. Ak sa femtosekundový impulz dá použiť na jeho okamžité zastavenie, zistite, čo sa stane. Okrem času zastavenia blikania sú femtosekundové lasery schopné vyvŕtať drobné otvory do kovu s priemerom až 200 nanometrov (2/10 000 milimetra). To znamená, že ultrakrátke pulzné svetlo, ktoré sa v krátkom čase stlačí a uzamkne vo vnútri, dosahuje úžasný efekt ultra vysokého výkonu a nespôsobuje ďalšie škody na okolí. Okrem toho môže pulzné svetlo femtosekundového lasera vytvárať extrémne jemné stereoskopické obrazy objektov. Stereoskopické zobrazovanie je veľmi užitočné v lekárskej diagnostike, čím sa otvára nová oblasť výskumu nazývaná optická interferenčná tomografia. Ide o stereoskopický obraz živého tkaniva a živých buniek zhotovený femtosekundovým laserom. Napríklad veľmi krátky pulz svetla je namierený na kožu, pulzné svetlo sa odráža od povrchu kože a časť pulzného svetla je vstreknutá do kože. Vnútro pokožky je zložené z mnohých vrstiev a pulzné svetlo vstupujúce do kože sa odrazí späť ako malé pulzné svetlo a vnútorná štruktúra pokožky sa dá poznať z ozveny týchto rôznych pulzných svetiel v odrazenom svetle.
Okrem toho má táto technológia veľké využitie v oftalmológii, pretože je schopná vytvárať stereoskopické snímky sietnice hlboko v oku. To umožňuje lekárom diagnostikovať, či existuje problém s ich tkanivom. Tento typ vyšetrenia sa neobmedzuje len na oči. Ak sa laser pošle do tela optickým vláknom, je možné preskúmať všetky tkanivá rôznych orgánov v tele a možno sa bude dať skontrolovať aj to, či sa z neho v budúcnosti nestala rakovina.

Implementácia ultra presných hodín
Vedci sa domnievajú, že ak afemtosekundový laserHodiny sú vyrobené pomocou viditeľného svetla, budú schopné merať čas presnejšie ako atómové hodiny a v nasledujúcich rokoch to budú najpresnejšie hodiny na svete. Ak sú hodiny presné, potom sa výrazne zlepší aj presnosť systému GPS (Global Positioning System), ktorý sa používa na navigáciu v aute.
Prečo môže viditeľné svetlo vytvoriť presné hodiny? Všetky hodiny a hodiny sú neoddeliteľné od pohybu kyvadla a ozubeného kolesa a prostredníctvom kmitania kyvadla s presnou frekvenciou vibrácií sa ozubené koleso otáča niekoľko sekúnd a presné hodiny nie sú výnimkou. Preto, aby boli hodiny presnejšie, je potrebné použiť kyvadlo s vyššou frekvenciou vibrácií. Kremenné hodiny (hodiny, ktoré oscilujú s kryštálmi namiesto kyvadla) sú presnejšie ako kyvadlové hodiny, pretože kremenný rezonátor osciluje viackrát za sekundu.
Céziové atómové hodiny, ktoré sú teraz časovým štandardom, oscilujú na frekvencii asi 9,2 gigahertzov (predpona medzinárodnej jednotky giga, 1 giga = 10^9). Atómové hodiny využívajú prirodzenú frekvenciu kmitov atómov cézia na nahradenie kyvadla mikrovlnami s rovnakou frekvenciou kmitov a ich presnosť je len 1 sekunda za desiatky miliónov rokov. Naproti tomu viditeľné svetlo má frekvenciu oscilácií 100 000 až 1 000 000-krát vyššiu ako mikrovlny, to znamená, že využíva energiu viditeľného svetla na vytvorenie presných hodín, ktoré sú miliónkrát presnejšie ako atómové hodiny. V laboratóriu boli teraz úspešne zostrojené najpresnejšie hodiny na svete využívajúce viditeľné svetlo.
Pomocou týchto presných hodín možno overiť Einsteinovu teóriu relativity. Jedny z týchto presných hodín sme umiestnili do laboratória a druhé do kancelárie na prízemí, berúc do úvahy, čo by sa mohlo stať, po hodine alebo dvoch bol výsledok taký, ako predpovedala Einsteinova teória relativity, v dôsledku dvoch Existujú rôzne „gravitačné polia“. “ medzi poschodiami už dve hodiny neukazujú na rovnaký čas a hodiny na prízemí bežia pomalšie ako tie na poschodí. S presnejšími hodinami by možno aj čas na zápästí a členku bol v ten deň iný. Kúzlo relativity môžeme jednoducho zažiť pomocou presných hodín.

Technológia spomalenia rýchlosti svetla
V roku 1999 profesor Rainer Howe z Hubbard University v Spojených štátoch úspešne spomalil svetlo na 17 metrov za sekundu, rýchlosť, ktorú auto dokáže dobehnúť, a potom úspešne spomalil na úroveň, ktorú dokáže dobehnúť aj bicykel. Tento experiment zahŕňa najmodernejší výskum vo fyzike a tento článok predstavuje iba dva kľúče k úspechu experimentu. Jedným z nich je vybudovať "oblak" atómov sodíka pri extrémne nízkej teplote blízkej absolútnej nule (-273,15 °C), čo je špeciálny plynný stav nazývaný Bose-Einsteinov kondenzát. Druhým je laser, ktorý moduluje vibračnú frekvenciu (laser na ovládanie) a ožaruje ním oblak atómov sodíka, a v dôsledku toho sa dejú neuveriteľné veci.
Vedci najskôr pomocou riadiaceho lasera stlačia pulzné svetlo v oblaku atómov a rýchlosť sa extrémne spomalí. V tomto čase je riadiaci laser vypnutý, pulzné svetlo zmizne a informácie prenášané pulzným svetlom sú uložené v oblaku atómov. . Potom sa ožiari kontrolným laserom, obnoví sa pulzné svetlo a vypadne z oblaku atómov. Pôvodne stlačený impulz sa teda opäť natiahne a rýchlosť sa obnoví. Celý proces zadávania informácií o pulznom svetle do atómového oblaku je podobný čítaniu, ukladaniu a resetovaniu v počítači, takže táto technológia je nápomocná pri realizácii kvantových počítačov.

Svet od „femtosekundy“ po „attosekundu“
Femtosekundysú mimo našej predstavivosti. Teraz sme späť vo svete attosekúnd, ktoré sú kratšie ako femtosekundy. A je skratka pre SI predponu atto. 1 attosekunda = 1 × 10^-18 sekúnd = jedna tisícina femtosekundy. Attosekundové impulzy nemožno vytvoriť viditeľným svetlom, pretože na skrátenie impulzu je potrebné použiť kratšie vlnové dĺžky svetla. Napríklad v prípade vytvárania impulzov červeným viditeľným svetlom nie je možné vytvoriť impulzy kratšie ako je táto vlnová dĺžka. Viditeľné svetlo má limit približne 2 femtosekundy, pre ktoré attosekundové impulzy využívajú röntgenové alebo gama lúče s kratšou vlnovou dĺžkou. Čo bude objavené v budúcnosti pomocou attosekundových röntgenových impulzov, nie je jasné. Napríklad použitie attosekundových zábleskov na vizualizáciu biomolekúl nám umožňuje pozorovať ich aktivitu v extrémne krátkych časových mierkach a možno presne určiť štruktúru biomolekúl.