Teollisuuden uutisia

Femtosekundin laser

2022-01-10

A femtosekunnin laseron "ultralyhyen pulssin valon" generoiva laite, joka lähettää valoa vain ultralyhyen ajan, noin yhden gigasekunnin. Fei on lyhenne sanoista Femto, kansainvälisen yksikköjärjestelmän etuliite, ja 1 femtosekunti = 1×10^-15 sekuntia. Niin kutsuttu pulssivalo lähettää valoa vain hetken. Kameran salaman valoa säteilevä aika on noin 1 mikrosekunti, joten femtosekunnin ultralyhyt pulssivalo säteilee valoa vain noin miljardisosan ajastaan. Kuten me kaikki tiedämme, valon nopeus on 300 000 kilometriä sekunnissa (7 ja puoli ympyrää maan ympäri 1 sekunnissa) ennennäkemättömällä nopeudella, mutta 1 femtosekunnissa valokin etenee vain 0,3 mikronia.

Salamakuvauksella pystymme usein leikkaamaan pois liikkuvan kohteen hetkellisen tilan. Samoin, jos femtosekunnin laser välähtää, on mahdollista nähdä jokainen kemiallisen reaktion fragmentti, vaikka se etenee rajulla nopeudella. Tätä tarkoitusta varten femtosekunditeillä lasereilla voidaan tutkia kemiallisten reaktioiden mysteeriä.
Yleiset kemialliset reaktiot suoritetaan sen jälkeen, kun ne ovat läpäisseet korkeaenergiaisen välitilan, ns. "aktivoidun tilan". Kemisti Arrhenius ennusti teoriassa aktivoidun tilan olemassaolon jo vuonna 1889, mutta sitä ei voida suoraan havaita, koska se on olemassa hyvin lyhyen ajan. Mutta sen olemassaolo osoitti suoraan femtosekuntilasereilla 1980-luvun lopulla, esimerkkinä siitä, kuinka kemiallisia reaktioita voidaan paikantaa femtosekuntilasereilla. Esimerkiksi syklopentanonimolekyyli hajoaa aktivoidun tilan vaikutuksesta hiilimonoksidiksi ja 2 eteenimolekyyliksi.
Femtosekuntilasereita käytetään nykyään myös monilla aloilla, kuten fysiikassa, kemiassa, biotieteissä, lääketieteessä ja tekniikassa, erityisesti valossa ja elektroniikassa. Tämä johtuu siitä, että valon voimakkuus voi siirtää suuren määrän tietoa paikasta toiseen lähes häviöttömästi, mikä nopeuttaa entisestään optista viestintää. Ydinfysiikan alalla femtosekuntilaserit ovat tuoneet valtavan vaikutuksen. Koska pulssivalolla on erittäin voimakas sähkökenttä, on mahdollista kiihdyttää elektronit lähelle valonnopeutta 1 femtosekunnissa, joten sitä voidaan käyttää "kiihdyttimenä" elektronien kiihdyttämiseen.

Sovellus lääketieteessä
Kuten edellä mainittiin, femtosekuntimaailmassa jopa valo jäätyy niin, että se ei voi kulkea kovin kauas, mutta vielä tälläkin aikaskaalalla atomit, aineen molekyylit ja elektronit tietokonesirujen sisällä liikkuvat edelleen piireissä. Jos femtosekundin pulssi voidaan pysäyttää välittömästi, tutki mitä tapahtuu. Vilkkumisen pysähtymisajan lisäksi femtosekuntilaserit pystyvät poraamaan pieniä, halkaisijaltaan jopa 200 nanometrin (2/10 000 millimetrin) reikiä metalliin. Tämä tarkoittaa, että erittäin lyhyt pulssivalo, joka puristetaan ja lukitaan sisään lyhyessä ajassa, saavuttaa hämmästyttävän erittäin korkean tehon, eikä aiheuta lisävaurioita ympäristölle. Lisäksi femtosekuntilaserin pulssivalo voi ottaa erittäin hienoja stereoskooppisia kuvia esineistä. Stereoskooppinen kuvantaminen on erittäin hyödyllistä lääketieteellisessä diagnosoinnissa, mikä avaa uuden tutkimusalan nimeltä optinen interferenssitomografia. Tämä on stereoskooppinen kuva elävästä kudoksesta ja elävistä soluista, joka on otettu femtosekunnin laserilla. Esimerkiksi hyvin lyhyt valopulssi suunnataan ihoon, pulssivalo heijastuu ihon pinnalta ja osa pulssivalosta ruiskutetaan ihoon. Ihon sisäpuoli koostuu useista kerroksista, ja ihoon tuleva pulssivalo pomppii takaisin pienenä pulssivalona ja näiden erilaisten pulssivalojen kaikuista heijastuneessa valossa voidaan tietää ihon sisäinen rakenne.
Lisäksi tällä tekniikalla on suuri hyöty oftalmologiassa, sillä se pystyy ottamaan stereoskooppisia kuvia syvällä silmässä olevasta verkkokalvosta. Näin lääkärit voivat diagnosoida, onko heidän kudoksessaan ongelmia. Tämäntyyppinen tutkimus ei rajoitu silmiin. Jos laser lähetetään kehoon optisella kuidulla, voidaan tutkia kaikki kehon eri elinten kudokset ja voidaan jopa tarkistaa, onko siitä tulevaisuudessa tullut syöpä.

Erittäin tarkan kellon toteuttaminen
Tiedemiehet uskovat, että jos afemtosekunnin laserKello on valmistettu näkyvällä valolla, se pystyy mittaamaan aikaa tarkemmin kuin atomikellot, ja se tulee olemaan maailman tarkin kello tulevina vuosina. Jos kello on tarkka, myös autonavigointiin käytettävän GPS:n (Global Positioning System) tarkkuus paranee huomattavasti.
Miksi näkyvä valo voi tehdä tarkan kellon? Kaikki kellot ja kellot ovat erottamattomia heilurin ja hammaspyörän liikkeestä, ja heilurin värähtelyn kautta tarkalla värähtelytaajuudella hammaspyörä pyörii sekunteja, eikä tarkka kello ole poikkeus. Siksi tarkemman kellon tekemiseksi on käytettävä heiluria, jolla on korkeampi värähtelytaajuus. Kvartsikellot (kellot, jotka värähtelevät kiteiden kanssa heilurien sijaan) ovat tarkempia kuin heilurikellot, koska kvartsiresonaattori värähtelee useammin sekunnissa.
Cesium-atomikello, joka on nykyään aikastandardi, värähtelee noin 9,2 gigahertsin taajuudella (kansainvälisen yksikön giga etuliite, 1 giga = 10^9). Atomikello käyttää cesiumatomien luonnollista värähtelytaajuutta korvaamaan heilurin saman värähtelytaajuuden omaavilla mikroaalloilla, ja sen tarkkuus on vain 1 sekunti kymmenissä miljoonissa vuosissa. Sitä vastoin näkyvän valon värähtelytaajuus on 100 000 - 1 000 000 kertaa suurempi kuin mikroaaltojen, eli se käyttää näkyvän valon energiaa tarkkuuskellon luomiseen, joka on miljoonia kertoja tarkempi kuin atomikellot. Maailman tarkin näkyvää valoa käyttävä kello on nyt onnistuneesti rakennettu laboratoriossa.
Tämän tarkan kellon avulla Einsteinin suhteellisuusteoria voidaan varmistaa. Laitoimme toisen näistä tarkoista kelloista laboratorioon ja toisen alakerran toimistoon, ottaen huomioon, mitä voisi tapahtua, tunnin tai kahden kuluttua tulos oli Einsteinin suhteellisuusteorian ennustama, koska kaksi On olemassa erilaisia ​​"painovoimakenttiä". " kerrosten välillä kaksi kelloa eivät enää osoita samaan aikaan, ja alakerran kello käy hitaammin kuin yläkerran kello. Tarkemmalla kellolla ehkä jopa ranteen ja nilkan aika olisi erilainen sinä päivänä. Voimme yksinkertaisesti kokea suhteellisuusteorian taikuuden tarkkojen kellojen avulla.

Valon nopeutta hidastava tekniikka
Vuonna 1999 professori Rainer Howe Hubbardin yliopistosta Yhdysvalloissa onnistuneesti hidasti valoa 17 metriin sekunnissa, joka on nopeus, jonka auto voi saavuttaa, ja sitten onnistuneesti hidastui tasolle, jonka jopa polkupyörä pystyy saavuttamaan. Tämä kokeilu sisältää uusinta fysiikan tutkimusta, ja tässä artikkelissa esitellään vain kaksi avainta kokeen onnistumiseen. Yksi on rakentaa natriumatomien "pilvi" äärimmäisen alhaisessa lämpötilassa, joka on lähellä absoluuttista nollaa (-273,15 °C), erityinen kaasutila nimeltä Bose-Einstein-kondensaatti. Toinen on laser, joka moduloi värähtelytaajuutta (ohjauksen laser) ja säteilyttää sillä natriumatomipilveä, ja sen seurauksena tapahtuu uskomattomia asioita.
Tutkijat käyttävät ensin ohjauslaseria puristamaan pulssivaloa atomipilvessä, ja nopeus hidastuu erittäin paljon. Tässä vaiheessa ohjauslaser sammuu, pulssivalo katoaa ja pulssivalon kuljettama tieto tallentuu atomipilveen. . Sitten sitä säteilytetään ohjauslaserilla, pulssivalo otetaan talteen ja se poistuu atomipilvestä. Joten alun perin puristettu pulssi venytetään uudelleen ja nopeus palautuu. Koko prosessi pulssivaloinformaation syöttämiseksi atomipilveen on samanlainen kuin tietokoneessa lukeminen, tallentaminen ja nollaus, joten tämä tekniikka on hyödyllinen kvanttitietokoneiden toteuttamisessa.

Maailma "femtosekunnista" "attosekuntiin"
Femtosekuntiaovat mielikuvituksemme ulkopuolella. Nyt olemme palanneet attosekuntien maailmaan, jotka ovat lyhyempiä kuin femtosekuntia. A on lyhenne sanoista SI etuliite atto. 1 attosekunti = 1 × 10^-18 sekuntia = yksi tuhannesosa femtosekunnista. Attosekuntipulsseja ei voida tehdä näkyvällä valolla, koska pulssin lyhentämiseen on käytettävä lyhyempiä valon aallonpituuksia. Esimerkiksi kun tehdään pulsseja punaisella näkyvällä valolla, on mahdotonta tehdä tätä aallonpituutta lyhyempiä pulsseja. Näkyvän valon raja on noin 2 femtosekuntia, jolloin attosekunnin pulssit käyttävät lyhyemmän aallonpituuden röntgensäteitä tai gammasäteitä. On epäselvää, mitä attosekunnin röntgenpulssien avulla tulevaisuudessa löydetään. Esimerkiksi attosekuntien välähdyksen käyttö biomolekyylien visualisoimiseen mahdollistaa niiden aktiivisuuden havainnoinnin erittäin lyhyessä ajassa ja kenties paikantaa biomolekyylien rakenteen.