Femtosekundinis lazeris

A femtosekundinis lazerisyra „ultratrumpo impulso šviesą“ generuojantis prietaisas, skleidžiantis šviesą tik itin trumpą laiką, maždaug vieną gigasekundę. Fei yra Femto, tarptautinės vienetų sistemos priešdėlis, santrumpa ir 1 femtosekundė = 1 × 10^-15 sekundžių. Vadinamoji impulsinė šviesa skleidžia šviesą tik akimirksniu. Fotoaparato blykstės šviesos spinduliavimo laikas yra apie 1 mikrosekundę, todėl itin trumpo impulso femtosekundės šviesa skleidžia šviesą tik apie vieną milijardąją laiko dalį. Kaip visi žinome, šviesos greitis yra 300 000 kilometrų per sekundę (7 su puse apskritimo aplink žemę per 1 sekundę) neprilygstamu greičiu, tačiau per 1 femtosekundę net šviesa pakyla tik 0,3 mikrono.

Dažnai fotografuodami su blykste galime iškirpti momentinę judančio objekto būseną. Panašiai, jei blykstelis femtosekundinis lazeris, galima pamatyti kiekvieną cheminės reakcijos fragmentą, net kai ji vyksta dideliu greičiu. Šiuo tikslu femtosekundiniai lazeriai gali būti naudojami cheminių reakcijų paslapčiai tirti.
Bendrosios cheminės reakcijos atliekamos praėjus tarpinei būsenai su didele energija, vadinamąja „aktyvuota būsena“. Aktyvuotos būsenos egzistavimą teoriškai numatė chemikas Arrhenius dar 1889 m., tačiau jos negalima tiesiogiai stebėti, nes ji egzistuoja labai trumpai. Tačiau jo egzistavimą tiesiogiai įrodė femtosekundiniai lazeriai devintojo dešimtmečio pabaigoje – pavyzdys, kaip chemines reakcijas galima tiksliai nustatyti naudojant femtosekundinius lazerius. Pavyzdžiui, ciklopentanono molekulė aktyvuota suskaidoma į anglies monoksidą ir 2 etileno molekules.
Femtosekundiniai lazeriai dabar taip pat naudojami įvairiose srityse, tokiose kaip fizika, chemija, gyvosios gamtos mokslai, medicina ir inžinerija, ypač šviesos ir elektronikos srityse. Taip yra todėl, kad šviesos intensyvumas gali beveik be nuostolių perduoti didelį informacijos kiekį iš vienos vietos į kitą, o tai dar labiau pagreitina optinį ryšį. Branduolinės fizikos srityje femtosekundiniai lazeriai padarė didžiulį poveikį. Kadangi impulsinė šviesa turi labai stiprų elektrinį lauką, elektronus galima pagreitinti iki artimo šviesos greičio per 1 femtosekundę, todėl ją galima naudoti kaip elektronų greitintuvą.

Taikymas medicinoje
Kaip minėta aukščiau, femtosekundiniame pasaulyje net šviesa yra sustingusi, todėl negali nukeliauti labai toli, tačiau net ir šiuo laiko mastu kompiuterių lustuose esantys atomai, molekulės ir elektronai vis dar juda grandinėmis. Jei femtosekundinis pulsas gali būti naudojamas akimirksniu jį sustabdyti, ištirkite, kas atsitiks. Femtosekundiniai lazeriai gali ne tik mirksėti, bet ir 200 nanometrų (2/10 000 milimetro) skersmens metale išgręžti mažas skylutes. Tai reiškia, kad per trumpą laiką suspausta ir viduje užfiksuota itin trumpa impulsinė šviesa pasiekia nuostabų itin didelės galios efektą ir nedaro papildomos žalos aplinkai. Be to, femtosekundinio lazerio impulsinė šviesa gali užfiksuoti itin puikius stereoskopinius objektų vaizdus. Stereoskopinis vaizdavimas yra labai naudingas medicininėje diagnostikoje, todėl atveria naują tyrimų sritį, vadinamą optinių trukdžių tomografija. Tai stereoskopinis gyvų audinių ir gyvų ląstelių vaizdas, paimtas femtosekundiniu lazeriu. Pavyzdžiui, labai trumpas šviesos impulsas nukreipiamas į odą, impulsinė šviesa atsispindi nuo odos paviršiaus, o dalis impulsinės šviesos įšvirkščiama į odą. Odos vidus susideda iš daugybės sluoksnių, o į odą patekusi impulsinė šviesa grįžta atgal kaip maža impulsinė šviesa, o vidinę odos struktūrą galima sužinoti iš šios įvairios impulsinės šviesos aidų atspindėtoje šviesoje.
Be to, ši technologija labai naudinga oftalmologijoje, galinti užfiksuoti stereoskopinius tinklainės vaizdus giliai akyje. Tai leidžia gydytojams diagnozuoti, ar yra jų audinių problemų. Šio tipo tyrimas neapsiriboja akimis. Jei lazeris į organizmą siunčiamas su šviesolaidžiu, galima ištirti visus įvairių organizmo organų audinius, o galbūt net galima patikrinti, ar ateityje jis netapo vėžiu.

Itin tikslaus laikrodžio įdiegimas
Mokslininkai mano, kad jei afemtosekundinis lazerislaikrodis pagamintas naudojant matomą šviesą, jis galės tiksliau matuoti laiką nei atominiai laikrodžiai, be to, ilgus metus tai bus tiksliausias laikrodis pasaulyje. Jei laikrodis yra tikslus, tuomet labai pagerėja ir automobilio navigacijai naudojamos GPS (Global Positioning System) tikslumas.
Kodėl matoma šviesa gali sukurti tikslų laikrodį? Visi laikrodžiai yra neatsiejami nuo švytuoklės ir krumpliaračio judėjimo, o per švytuoklės svyravimą su tiksliu vibracijos dažniu pavara sukasi sekundes, o tikslus laikrodis nėra išimtis. Todėl, norint pagaminti tikslesnį laikrodį, reikia naudoti švytuoklę su didesniu vibracijos dažniu. Kvarciniai laikrodžiai (laikrodžiai, kurie svyruoja kristalais, o ne švytuoklėmis) yra tikslesni nei švytuokliniai laikrodžiai, nes kvarcinis rezonatorius svyruoja daugiau kartų per sekundę.
Cezio atominis laikrodis, kuris dabar yra laiko standartas, svyruoja maždaug 9,2 gigahercų dažniu (tarptautinio vieneto giga priešdėlis, 1 giga = 10^9). Atominis laikrodis naudoja cezio atomų natūralų virpesių dažnį, kad švytuoklė pakeičiama mikrobangomis, turinčiomis tokį patį virpesių dažnį, o jo tikslumas yra tik 1 sekundė per dešimtis milijonų metų. Priešingai, matomos šviesos virpesių dažnis yra nuo 100 000 iki 1 000 000 kartų didesnis nei mikrobangų, tai yra, naudojant matomos šviesos energiją sukuriamas tikslus laikrodis, kuris yra milijonus kartų tikslesnis nei atominiai laikrodžiai. Laboratorijoje sėkmingai buvo pastatytas tiksliausias pasaulyje laikrodis, kuriame naudojama matoma šviesa.
Šio tikslaus laikrodžio pagalba galima patikrinti Einšteino reliatyvumo teoriją. Vieną iš šių tikslių laikrodžių padėjome laboratorijoje, o kitą – apatiniame biure, atsižvelgdami į tai, kas gali nutikti, po valandos ar dviejų rezultatas buvo toks, kokį numatė Einšteino reliatyvumo teorija, dėl dviejų Yra skirtingi „gravitacijos laukai“. "Tarp aukštų du laikrodžiai neberodo to paties laiko, o laikrodis apačioje veikia lėčiau nei viršutiniame aukšte. Turint tikslesnį laikrodį, gal net laikas ant riešo ir kulkšnies tą dieną būtų kitoks. Mes tiesiog galime patirti reliatyvumo magiją naudodami tikslius laikrodžius.

Šviesos greičio lėtėjimo technologija
1999 metais JAV Habardo universiteto profesorius Raineris Howe'as sėkmingai sumažino šviesos greitį iki 17 metrų per sekundę – tokį greitį, kurį gali pasivyti automobilis, o paskui sėkmingai sumažino greitį iki tokio lygio, kurį gali pasivyti net dviratis. Šis eksperimentas apima pačius pažangiausius fizikos tyrimus, o šiame straipsnyje pateikiami tik du eksperimento sėkmės raktai. Vienas iš jų yra sukurti natrio atomų „debesį“ esant itin žemai temperatūrai, artimai absoliučiam nuliui (-273,15 °C), specialią dujų būseną, vadinamą Bose-Einstein kondensatu. Kitas – vibracinį dažnį moduliuojantis lazeris (valdymo lazeris) ir juo apšvitina natrio atomų debesį, ir dėl to nutinka neįtikėtinų dalykų.
Mokslininkai pirmiausia naudoja kontrolinį lazerį, kad suspaustų impulsinę šviesą atomų debesyje, o greitis itin sulėtėja. Šiuo metu valdymo lazeris išjungiamas, impulsinė šviesa išnyksta, o informacija, kurią perduoda impulsinė šviesa, saugoma atomų debesyje. . Tada jis apšvitinamas kontroliniu lazeriu, atgaunama impulsinė šviesa ir ji išeina iš atomų debesies. Taigi iš pradžių suspaustas pulsas vėl ištempiamas ir greitis atstatomas. Visas impulsinės šviesos informacijos įvedimo į atominį debesį procesas yra panašus į skaitymą, saugojimą ir atstatymą kompiuteryje, todėl ši technologija yra naudinga kuriant kvantinius kompiuterius.

Pasaulis nuo „femtosekundės“ iki „attosekundės“
Femtosekundėsyra už mūsų vaizduotės ribų. Dabar grįžtame į attosekundžių pasaulį, kuris yra trumpesnis nei femtosekundės. A yra SI priešdėlio atto santrumpa. 1 atosekundė = 1 × 10^-18 sekundžių = viena tūkstantoji femtosekundės dalis. Attosekundiniai impulsai negali būti sukurti matomoje šviesoje, nes impulsui sutrumpinti turi būti naudojami trumpesni šviesos bangos ilgiai. Pavyzdžiui, kai gaunami impulsai su raudona matoma šviesa, neįmanoma padaryti trumpesnių už tą bangos ilgį. Matomos šviesos riba yra maždaug 2 femtosekundės, o atosekundiniai impulsai naudoja trumpesnio bangos ilgio rentgeno arba gama spindulius. Kas bus atrasta ateityje naudojant atosekundinius rentgeno impulsus, neaišku. Pavyzdžiui, naudojant attosekundinius blyksnius biomolekulėms vizualizuoti, galime stebėti jų aktyvumą itin trumpu laiko intervalu ir galbūt tiksliai nustatyti biomolekulių struktūrą.