Применение фемтосекундных лазеров

Фемтосекундные лазеры представляют собой устройства, генерирующие «сверхкороткие импульсы света», которые излучают свет в течение сверхкороткого периода времени, составляющего всего около одного гигабита в секунду. Фемто — это аббревиатура международной системы единиц фемто (femto), 1 фемтосекунда=1 × 10^-15 секунды. Так называемый импульсный свет только через мгновение высвобождает свет. Время испускания света вспышкой камеры составляет около 1 микросекунды, поэтому ультракороткий импульс фемтосекундного света составляет лишь одну миллиардную своего времени для испускания света. Как мы все знаем, скорость света составляет 300000 километров в секунду (7 с половиной недель вокруг Земли за 1 секунду) — беспрецедентная скорость, но в течение 1 фемтосекунды даже свет опережает только на 0,3 микрона.
Обычно мы используем фотовспышку, чтобы запечатлеть мгновенное состояние движущегося объекта. Точно так же с фемтосекундной лазерной вспышкой можно увидеть каждый фрагмент химической реакции, протекающей с огромной скоростью. По этой причине фемтосекундные лазеры можно использовать для изучения тайн химических реакций.
Химические реакции обычно происходят после промежуточного состояния высокой энергии, так называемого «активированного состояния». Существование активационного состояния было теоретически предсказано химиком Аррениусом в 1889 г., но его нельзя было наблюдать непосредственно, поскольку оно существовало в течение очень короткого времени. Однако его существование было непосредственно продемонстрировано фемтосекундным лазером в конце 1980-х годов, и это пример химической реакции, отождествленной с фемтосекундным лазером. Например, распад молекулы циклопентанона на монооксид углерода и две молекулы этилена в активированном состоянии.
В настоящее время фемтосекундные лазеры также используются в самых разных областях, таких как физика, химия, науки о жизни, медицина, инженерия и т. д. В частности, свет и электроника идут рука об руку и, как ожидается, откроют новые возможности в различных областях. области связи или компьютеров и энергетики. Это связано с тем, что интенсивность света может передавать большое количество информации из одного места в другое почти без потерь, что делает оптическую связь еще более высокоскоростной. В области ядерной физики фемтосекундные лазеры оказали огромное влияние. Поскольку импульсный свет имеет очень сильное электрическое поле, можно разогнать электроны почти до скорости света за 1 фемтосекунду, и поэтому его можно использовать в качестве «педали газа» для ускорения электронов.
Медицинские приложения
Как упоминалось выше, мир в фемтосекундах настолько заморожен, что даже свет не может двигаться очень далеко, но даже в этом масштабе времени атомы и молекулы в материи и электроны в цепях внутри компьютерных чипов все еще движутся. Если вы используете фемтосекундные импульсы, вы можете заставить его мгновенно остановиться и изучить, что происходит. Помимо вспышек, останавливающих время, фемтосекундные лазеры способны просверливать в металле микроскопические отверстия диаметром до 200 нанометров (двухтысячных миллиметра). Это означает, что ультракороткие световые импульсы, сжатые и запертые внутри на короткий промежуток времени, получают поразительно высокий выходной сигнал без дополнительного ущерба окружающей области. Кроме того, импульсный свет фемтосекундного лазера позволяет получать чрезвычайно четкие стереоизображения объекта. Стереоскопическая фотография широко используется в медицинской диагностике, что открывает новую область исследований, называемую оптической интерференционной томографией. Это использование фемтосекундных лазеров для получения стереоскопических изображений живых тканей и клеток. Например, очень короткий импульс света направлен на кожу, и импульсный свет отражается от поверхности кожи, при этом часть импульсного света направляется в кожу. Внутренняя часть кожи состоит из многих слоев, и импульсный свет, попадающий в кожу, отражается обратно в виде небольших импульсов, и по эхо этих форменных импульсов света в отраженном свете можно узнать внутреннюю структуру кожи. кожа.
Кроме того, эта технология очень полезна в офтальмологии, где можно получать стереоскопические изображения сетчатки глубоко внутри глаза. Таким образом, врачи могут диагностировать, есть ли проблема с его тканями. Это обследование не ограничивается глазами, но если лазер направить в тело с помощью оптоволокна, то можно будет исследовать все ткани различных органов в организме, а в будущем, возможно, даже можно будет проверить, не стали ли они раковый.
Получите сверхточные часы
Ученые считают, что если часы с фемтосекундным лазером будут сделаны с использованием видимого света, они смогут измерять время точнее, чем атомные часы, и в ближайшие годы будут самыми точными часами в мире. Если часы точны, то это также значительно повышает точность GPS (глобальной системы позиционирования), используемой для автомобильной навигации.
Почему видимый свет может делать точные часы? Все часы и часы не имеют маятника и шестеренки для движения, за счет качания маятника с точной частотой вибрации, так что шестеренки поворачивают секунды, точные часы не исключение. Поэтому для создания более точных часов необходимо использовать маятник с более высокой частотой колебаний. Кварцевые часы (часы с кварцевыми колебаниями вместо маятников) более точны, чем маятниковые, потому что кварцевые резонаторы колеблются чаще в секунду.
Частота колебаний цезиевых атомных часов, являющихся в настоящее время эталоном времени, составляет около 9,2 гигагерца (головка слова международной единицы гига, 1 гига=10^9). Атомные часы - это использование собственной частоты колебаний атомов цезия, частота колебаний которых соответствует микроволновой, а не маятниковой, ее точность составляет десятки миллионов лет, разница всего в 1 секунду. Напротив, частота колебаний видимого света от 100000 до 1 миллиона раз выше, чем частота колебаний микроволн, то есть видимый свет можно использовать для создания точных часов с точностью, в миллион раз превышающей точность атомных часов. Сейчас в лаборатории успешно построены самые точные в мире часы, использующие видимый свет.
С помощью этих точных часов можно проверить теорию относительности Эйнштейна. Мы будем такие точные часы в лаборатории, другие в офисе внизу, рассмотрим возможную ситуацию, через один или два часа, результаты, предсказанные теорией относительности Эйнштейна, из-за того, что два слоя имеют разное «гравитационное поле» между двумя часами больше не показывают одно и то же время, часы внизу, чем часы наверху Часы внизу идут медленнее, чем часы наверху. С более точными часами, возможно, даже часы на запястье и лодыжке не показывали бы в этот день одинаковое время. Мы можем просто испытать очарование относительности с помощью точных часов.
Технология замедления света
В 1999 году профессору Райнеру Хоу из Университета Хаббарта в США удалось замедлить скорость света до 17 метров в секунду, скорости, которую мог бы догнать автомобиль, а позже до скорости, которую мог бы догнать даже велосипед. Этот эксперимент включает исследования на переднем крае физики, и в этой статье представлены только два ключа к успеху эксперимента. Одним из них является построение «облака» атомов натрия при чрезвычайно низких температурах, близких к абсолютному нулю (-273,15 градусов), особое газовое состояние, известное как конденсат Бозе-Эйнштейна. Другой — лазер (управляющий лазер), который регулирует частоту колебаний и облучает им облако атомов натрия, в результате чего происходит нечто невероятное.
Прежде всего, с помощью управляющего лазера импульсный свет был сжат в облаке атомов и замедлен до предельной скорости. Затем снова светится контрольный лазер, и импульсный свет восстанавливается и выходит из атомного облака. Импульсы, которые были сжаты, затем снова расширяются, и скорость восстанавливается. Весь процесс ввода импульсной световой информации в атомное облако аналогичен считыванию, сохранению и сбросу в компьютере, поэтому этот метод полезен для реализации квантовых компьютеров.
От «фемтосекундного» к «аттосекундному» миру
Фемтосекунды уже за гранью нашего воображения. Теперь мы отправляемся в мир «аттосекунд», который даже короче фемтосекунды. А — это аббревиатура слова atto Международной системы единиц (СИ). 1 аттосекунда=1 x 10^-18 секунды=1 тысячная фемтосекунды. Аттосекундный импульс нельзя получить с помощью видимого света, потому что более короткие импульсы должны быть получены с более короткими длинами волн света. Например, если вы хотите создать импульс с красным видимым светом, невозможно создать импульс с более короткой длиной волны. Видимый свет имеет предел около 2 фемтосекунд, и по этой причине аттосекундные импульсы производятся с более короткими длинами волн рентгеновского или гамма-излучения. Непонятно, что можно будет обнаружить в будущем с помощью аттосекундного импульса рентгеновского излучения. Например, используя аттосекундную вспышку для визуализации биомолекулы, можно наблюдать ее активность в очень коротком временном масштабе и, возможно, идентифицировать структуру биомолекулы.