Фемтосекунден лазер

A фемтосекунден лазере устройство за генериране на "ултракъса импулсна светлина", което излъчва светлина само за ултра кратко време от около една гигасекунда. Fei е съкращението на Femto, префиксът на Международната система от единици и 1 фемтосекунда = 1×10^-15 секунди. Така наречената импулсна светлина излъчва светлина само за миг. Времето на излъчване на светлина на светкавицата на камерата е около 1 микросекунда, така че ултра-късата импулсна светлина от фемтосекунда излъчва светлина само за около една милиардна част от времето си. Както всички знаем, скоростта на светлината е 300 000 километра в секунда (7 и половина кръга около земята за 1 секунда) с несравнима скорост, но за 1 фемтосекунда дори светлината напредва само с 0,3 микрона.

Често с фотографията със светкавица сме в състояние да изрежем моментното състояние на движещ се обект. По същия начин, ако се светне фемтосекунден лазер, е възможно да се види всеки фрагмент от химическата реакция, дори когато протича с висока скорост. За тази цел фемтосекундните лазери могат да се използват за изследване на мистерията на химичните реакции.
Общите химични реакции се извършват след преминаване през междинно състояние с висока енергия, така нареченото "активирано състояние". Съществуването на активирано състояние е теоретично предсказано от химика Арениус още през 1889 г., но не може да бъде директно наблюдавано, тъй като съществува за много кратко време. Но съществуването му беше директно демонстрирано от фемтосекундните лазери в края на 80-те години на миналия век, пример за това как химичните реакции могат да бъдат определени с фемтосекундни лазери. Например, молекулата циклопентанон се разлага на въглероден оксид и 2 етиленови молекули от активираното състояние.
Фемтосекундните лазери вече се използват и в широк спектър от области като физика, химия, науки за живота, медицина и инженерство, особено в светлината и електрониката. Това е така, защото интензитетът на светлината може да предава голямо количество информация от едно място на друго без почти никакви загуби, като допълнително ускорява оптичната комуникация. В областта на ядрената физика фемтосекундните лазери имат огромно влияние. Тъй като импулсната светлина има много силно електрическо поле, е възможно електроните да се ускорят до скоростта на светлината в рамките на 1 фемтосекунда, така че може да се използва като "ускорител" за ускоряване на електроните.

Приложение в медицината
Както бе споменато по-горе, във фемтосекундния свят дори светлината е замразена, така че да не може да пътува много далеч, но дори и в този времеви мащаб атомите, молекулите в материята и електроните в компютърните чипове все още се движат във вериги. Ако фемтосекундният импулс може да се използва за незабавното му спиране, проучете какво се случва. В допълнение към времето за мигане за спиране, фемтосекундните лазери са в състояние да пробиват малки дупки в метал с диаметър от 200 нанометра (2/10 000 от милиметъра). Това означава, че ултра-късата импулсна светлина, която се компресира и заключва вътре за кратък период от време, постига невероятен ефект на свръхвисока мощност и не причинява допълнителни щети на околната среда. Освен това импулсната светлина на фемтосекундния лазер може да прави изключително фини стереоскопични изображения на обекти. Стереоскопичните изображения са много полезни в медицинската диагностика, като по този начин се отваря нова област на изследване, наречена оптична интерференционна томография. Това е стереоскопично изображение на жива тъкан и живи клетки, направено с фемтосекунден лазер. Например, много кратък светлинен импулс е насочен към кожата, импулсната светлина се отразява от повърхността на кожата и част от импулсната светлина се инжектира в кожата. Вътрешността на кожата е съставена от много слоеве и импулсната светлина, влизаща в кожата, се връща като малка импулсна светлина, а вътрешната структура на кожата може да бъде позната от ехото на тези различни импулсни светлина в отразената светлина.
В допълнение, тази технология има голяма полза в офталмологията, способна да прави стереоскопични изображения на ретината дълбоко в окото. Това позволява на лекарите да диагностицират дали има проблем с тяхната тъкан. Този вид изследване не се ограничава само до очите. Ако лазер се изпрати в тялото с оптично влакно, е възможно да се изследват всички тъкани на различни органи в тялото и дори може да бъде възможно да се провери дали в бъдеще е станало рак.

Внедряване на ултра-прецизен часовник
Учените смятат, че ако aфемтосекунден лазерЧасовникът е направен с помощта на видима светлина, той ще може да измерва времето по-точно от атомните часовници и ще бъде най-точният часовник в света за години напред. Ако часовникът е точен, тогава точността на GPS (глобална система за позициониране), използвана за автомобилна навигация, също е значително подобрена.
Защо видимата светлина може да направи точен часовник? Всички часовници и часовници са неотделими от движението на махалото и зъбното колело и чрез трептене на махалото с точна честота на вибрация, зъбното колело се върти за секунди и точният часовник не е изключение. Следователно, за да се направи по-точен часовник, е необходимо да се използва махало с по-висока честота на вибрации. Кварцовите часовници (часовници, които трептят с кристали вместо с махала) са по-точни от часовниците с махало, тъй като кварцовият резонатор осцилира повече пъти в секунда.
Цезиевият атомен часовник, който сега е стандартът за времето, осцилира с честота от около 9,2 гигахерца (префиксът на международната единица гига, 1 гига = 10^9). Атомният часовник използва естествената честота на трептене на цезиевите атоми, за да замени махалото с микровълни със същата честота на трептене, като точността му е само 1 секунда на десетки милиони години. За разлика от тях видимата светлина има честота на трептене от 100 000 до 1 000 000 пъти по-висока от тази на микровълните, тоест използва енергията на видимата светлина за създаване на прецизен часовник, който е милиони пъти по-точен от атомните часовници. Най-точният часовник в света, използващ видима светлина, вече е успешно изграден в лаборатория.
С помощта на този прецизен часовник може да се провери теорията на относителността на Айнщайн. Поставихме единия от тези точни часовници в лабораторията, а другия в офиса на долния етаж, като се има предвид какво може да се случи, след час или два, резултатът беше според прогнозите на теорията на относителността на Айнщайн, поради двете. Има различни „гравитационни полета " между етажите двата часовника вече не сочат едно и също време, а часовникът долу работи по-бавно от този на горния етаж. С по-точен часовник може би дори времето на китката и глезена би било различно през този ден. Можем просто да изпитаме магията на относителността с помощта на точни часовници.

Технология за забавяне на скоростта на светлината
През 1999 г. професор Райнър Хоу от университета Хъбард в САЩ успешно забави светлината до 17 метра в секунда, скорост, която може да настигне една кола, и след това успешно забави до ниво, което дори велосипедът може да настигне. Този експеримент включва най-модерните изследвания във физиката и тази статия представя само два ключа към успеха на експеримента. Единият е да се създаде "облак" от натриеви атоми при изключително ниска температура, близка до абсолютната нула (-273,15°C), специално газово състояние, наречено кондензат на Бозе-Айнщайн. Другият е лазер, който модулира вибрационната честота (лазерът за управление) и облъчва с него облак от натриеви атоми и в резултат на това се случват невероятни неща.
Учените първо използват контролния лазер, за да компресират импулсната светлина в облака от атоми и скоростта е изключително забавена. По това време управляващият лазер се изключва, импулсната светлина изчезва и информацията, пренесена от импулсната светлина, се съхранява в облака от атоми. . След това се облъчва с контролен лазер, импулсната светлина се възстановява и излиза от облака от атоми. Така първоначално компресираният импулс се разтяга отново и скоростта се възстановява. Целият процес на въвеждане на информация за импулсна светлина в атомен облак е подобен на четене, съхранение и нулиране в компютър, така че тази технология е полезна за реализацията на квантовите компютри.

Светът от "фемтосекунда" до "атосекунда"
фемтосекундиса отвъд нашето въображение. Сега се връщаме в света на атосекундите, които са по-къси от фемтосекундите. A е съкращение за префикса SI atto. 1 атосекунда = 1 × 10^-18 секунди = една хилядна от фемтосекундата. Атосекундните импулси не могат да бъдат направени с видима светлина, тъй като трябва да се използват по-къси дължини на вълните на светлината за скъсяване на импулса. Например, в случай на правене на импулси с червена видима светлина, е невъзможно да се правят импулси по-къси от тази дължина на вълната. Видимата светлина има ограничение от около 2 фемтосекунди, за които атосекундните импулси използват рентгенови лъчи с по-къса дължина на вълната или гама лъчи. Какво ще бъде открито в бъдеще с помощта на атосекундни рентгенови импулси, не е ясно. Например, използването на атосекундни светкавици за визуализиране на биомолекулите ни позволява да наблюдаваме тяхната активност в изключително кратки времеви скали и може би точно да определим структурата на биомолекулите.