Приложението на фемтосекундни лазери

Фемтосекундните лазери са устройства, генериращи "ултракъса импулсна светлина", които излъчват светлина за ултра кратък период от време от само около един гигабит от секунда. Фемто е съкращението на международната система от мерни единици фемто (femto), 1 фемтосекунда=1 × 10^-15 секунди. Така наречената импулсна светлина е само за момент, за да освободи светлина. Времето за излъчване на светлина от светкавицата на фотоапарата е около 1 микросекунда, така че ултра-късият импулс на фемтосекундна светлина е само около една милиардна част от времето си за освобождаване на светлина. Както всички знаем, скоростта на светлината е 300,000 километра в секунда (7 седмици и половина около земята за 1 секунда) несравнима скорост, но по време на 1 фемтосекунда дори светлината е само 0,3 микрона напред.
Обикновено използваме фотография със светкавица, за да можем да изрежем моментното състояние на движещия се обект. По същия начин, с фемтосекундна лазерна светкавица е възможно да се види всеки фрагмент от химическа реакция, която протича с невероятна скорост. Поради тази причина фемтосекундните лазери могат да се използват за изследване на мистерията на химичните реакции.
Химичните реакции като цяло протичат след междинно състояние на висока енергия, така нареченото "активирано състояние". Съществуването на състояние на активиране е предсказано теоретично от химика Арениус през 1889 г., но то не може да бъде наблюдавано директно, тъй като е съществувало за много кратко време. Съществуването му обаче беше директно демонстрирано от фемтосекунден лазер в края на 1980 г. и това е пример за химическа реакция, идентифицирана с фемтосекунден лазер. Например, разлагането на молекула циклопентанон на въглероден оксид и две молекули етилен в активирано състояние.
В днешно време фемтосекундните лазери се използват и в широк спектър от области като физика, химия, науки за живота, медицина, инженерство и др. По-специално светлината и електрониката вървят ръка за ръка и се очаква да открият всякакви нови възможности в областта на комуникацията или компютрите и енергетиката. Това е така, защото интензитетът на светлината може да предаде голямо количество информация от едно място на друго почти без загуба, което прави оптичната комуникация още по-висока скорост. В областта на ядрената физика фемтосекундните лазери оказаха огромно влияние. Тъй като импулсната светлина има много силно електрическо поле, е възможно да се ускорят електроните до скорост, близка до скоростта на светлината за 1 фемтосекунда, и следователно може да се използва като "педал за газ" за ускоряване на електрони.
Медицински приложения
Както бе споменато по-горе, светът във фемтосекунди е толкова замръзнал, че дори светлината не може да се придвижи много далеч, но дори в този времеви мащаб атомите и молекулите в материята и електроните във веригите в компютърните чипове все още се движат. Ако използвате фемтосекундни импулси, можете да го накарате да спре моментално и да проучите какво се случва. В допълнение към светкавиците, които спират времето, фемтосекундните лазери са способни да пробиват микроскопични дупки в метал с диаметър до 200 нанометра (две хилядна от милиметъра). Това означава, че ултракъсите светлинни импулси, които са компресирани и заключени вътре за кратък период от време, получават удивително висока мощност без допълнително увреждане на околната среда. Освен това импулсната светлина от фемтосекундния лазер е способна да прави изключително фини стерео изображения на обекта. Стереоскопичната фотография е от голяма полза в медицинската диагностика, като по този начин отваря нова област на изследване, наречена оптична интерферентна томография. Това е използването на фемтосекундни лазери за получаване на стереоскопични изображения на живи тъкани и клетки. Например, много кратък светлинен импулс е насочен към кожата и импулсната светлина се отразява върху повърхността на кожата, като част от импулсната светлина се насочва към кожата. Вътрешността на кожата се състои от много слоеве и импулсната светлина, която се изстрелва в кожата, се отбива обратно като малки импулси и от ехото на тези оформени импулсни светлини в отразената светлина е възможно да се знае вътрешната структура на кожата.
В допълнение, тази технология има голяма полза в офталмологията, където е възможно да се правят стереоскопични изображения на ретината дълбоко в окото. Така лекарите могат да диагностицират дали има проблем с тъканите му. Това изследване не се ограничава само до очите, но ако лазерът се изпрати в тялото с оптични влакна, могат да се изследват всички тъкани на различни органи в тялото и в бъдеще дори може да се провери дали са станали ракови.
Постигнете свръхпрецизен часовник
Учените вярват, че ако часовник с фемтосекунден лазер бъде направен с помощта на видима светлина, той ще може да измерва времето по-точно от атомен часовник и ще служи като най-точният часовник в света през следващите години. Ако часовникът е точен, това значително подобрява и точността на GPS (глобалната система за позициониране), използвана за навигация на автомобила.
Защо видимата светлина може да направи точни часовници? Всички часовници нямат махало и зъбни колела за движение, чрез люлеене на махалото с точна честота на вибрация, така че зъбните колела въртят секунди, точните часовници не правят изключение. Следователно, за да се създадат по-точни часовници, е необходимо да се използва махало с по-висока честота на вибрации. Кварцовите часовници (часовници с кристални трептения вместо махала) са по-точни от часовниците с махало и това е така, защото кварцовите резонатори осцилират повече пъти в секунда.
Честотата на трептене на цезиевия атомен часовник, който сега е стандарт за време, е около 9,2 гигахерца (думата глава на международната единица гига, 1 гиг=10^9). Атомният часовник е използването на присъща честота на трептене на цезиеви атоми, чиято честота на трептене съответства на микровълновата вместо на махалото, неговата точност е десетки милиони години само с 1 секунда разлика. За разлика от това, видимата светлина има честота на трептене от 100,000 до 1 милион пъти по-висока от честотата на микровълновите трептения, тоест видимата светлина може да се използва за създаване на прецизни часовници с милион пъти по-висока точност от атомните часовници. Сега най-точният часовник в света, използващ видима светлина, е успешно построен в лабораторията.
С помощта на този прецизен часовник е възможно да се провери теорията на относителността на Айнщайн. Ще бъдем толкова точен часовник в лабораторията, другият в офиса долу, ще обмислим възможната ситуация, след един или два часа, резултатите, както е предвидено от теорията на относителността на Айнщайн, поради това, че двата слоя имат различно "гравитационно поле" между двата часовника вече не сочат едно и също време, часовникът долу от часовника горе Часовникът долу се движи по-бавно от часовника горе. С по-точен часовник може би дори часовникът на китката и на глезена няма да има едно и също време този ден. Можем просто да изпитаме очарованието на относителността с помощта на точни часовници.
Технология за забавяне на светлината
През 1999 г. професор Райнър Хоу от университета Хъбарт в Съединените щати успя да забави светлината до 17 метра в секунда, скорост, която можеше да настигне кола, а по-късно до скорост, която дори велосипед можеше да настигне. Този експеримент включва изследване в челните редици на физиката и в тази статия са представени само два ключа за успеха на експеримента. Единият е изграждането на "облак" от натриеви атоми при изключително ниски температури, близки до абсолютната нула (-273.15 градуса), специално газово състояние, известно като кондензат на Бозе-Айнщайн. Другият е лазер (управляващ лазер), който регулира честотата на вибрациите и облъчва с него облака от натриеви атоми, в резултат на което се случва нещо невероятно.
На първо място, с помощта на управляващия лазер импулсната светлина беше компресирана в облака от атоми и забавена до екстремна скорост. След това контролният лазер се свети отново и импулсната светлина се възстановява и излиза от атомния облак. Импулсите, които са били компресирани, след това се разширяват отново и скоростта се възстановява. Целият процес на въвеждане на информация за импулсна светлина в атомния облак е подобен на четене, съхраняване и нулиране в компютър, така че тази техника е полезна за внедряването на квантови компютри.
От "фемтосекунден" към "атосекунден" свят
Фемтосекундите вече надхвърлят нашето въображение. Сега се впускаме в света на "атосекундата", която е дори по-кратка от фемтосекундата. A е съкращението на думата atto от Международната система единици (SI). 1 атосекунда=1 x 10^-18 секунди=1 хилядна от фемтосекунда. Атосекунден импулс не може да бъде направен с видима светлина, защото трябва да се направят по-къси импулси с по-къси дължини на вълната на светлината. Например, ако искате да създадете импулс с червена видима светлина, не е възможно да създадете импулс с по-къса дължина на вълната от тази. Видимата светлина е границата от около 2 фемтосекунди и поради тази причина атосекундните импулси се правят с по-къси дължини на вълната на рентгенови или гама лъчи. Не е ясно какво може да се намери в бъдеще с помощта на атосекунден рентгенов импулс. Например, използвайки атосекундна междинна светкавица за визуализиране на биомолекула, е възможно да се наблюдава нейната активност в много кратък период от време и може би да се идентифицира структурата на биомолекулата.