Laser femtosecundă

A laser femtosecundeeste un dispozitiv generator de „puls ultrascurt” care emite lumină doar pentru un timp ultrascurt de aproximativ o gigasecundă. Fei este abrevierea lui Femto, prefixul Sistemului Internațional de Unități, iar 1 femtosecundă = 1×10^-15 secunde. Așa-numita lumină pulsată emite lumină doar pentru o clipă. Timpul de emisie de lumină al blițului unei camere este de aproximativ 1 microsecundă, astfel încât lumina cu puls ultrascurt de femtosecundă emite lumină doar pentru aproximativ o miliardime din timpul său. După cum știm cu toții, viteza luminii este de 300.000 de kilometri pe secundă (7 cercuri și jumătate în jurul Pământului într-o secundă) la o viteză de neegalat, dar în 1 femtosecundă, chiar și lumina avansează doar cu 0,3 microni.

Adesea, cu ajutorul fotografiei cu bliț, suntem capabili să decupăm starea momentană a unui obiect în mișcare. De asemenea, dacă un laser de femtosecundă este fulger, este posibil să se vadă fiecare fragment al reacției chimice chiar dacă se desfășoară cu o viteză violentă. În acest scop, laserele femtosecunde pot fi folosite pentru a studia misterul reacțiilor chimice.
Reacțiile chimice generale sunt efectuate după trecerea printr-o stare intermediară cu energie mare, așa-numita „stare activată”. Existența unei stări activate a fost prezisă teoretic de chimistul Arrhenius încă din 1889, dar nu poate fi observată direct deoarece există pentru o perioadă foarte scurtă de timp. Dar existența sa a fost demonstrată direct de laserele cu femtosecunde la sfârșitul anilor 1980, un exemplu al modului în care reacțiile chimice pot fi identificate cu laserele cu femtosecunde. De exemplu, molecula de ciclopentanonă este descompusă în monoxid de carbon și 2 molecule de etilenă prin starea activată.
Laserele femtosecunde sunt acum utilizate și într-o gamă largă de domenii, cum ar fi fizica, chimia, științele vieții, medicină și inginerie, în special în lumină și electronică. Acest lucru se datorează faptului că intensitatea luminii poate transmite o cantitate mare de informații dintr-un loc în altul aproape fără pierderi, accelerând și mai mult comunicarea optică. În domeniul fizicii nucleare, laserele femtosecunde au avut un impact uriaș. Deoarece lumina pulsată are un câmp electric foarte puternic, este posibil să se accelereze electronii până aproape de viteza luminii în 1 femtosecundă, deci poate fi folosită ca „accelerator” pentru accelerarea electronilor.

Aplicație în medicină
După cum s-a menționat mai sus, în lumea femtosecunde chiar și lumina este înghețată, astfel încât nu poate călători foarte departe, dar chiar și la această scară de timp, atomii, moleculele din materie și electronii din interiorul cipurilor computerelor încă se mișcă în circuite. Dacă pulsul femtosecundă poate fi folosit pentru a-l opri instantaneu, studiați ce se întâmplă. În plus față de timpul de oprire intermitent, laserele cu femtosecunde sunt capabile să foreze găuri mici în metal de 200 de nanometri (2/10.000 de milimetru) în diametru. Aceasta înseamnă că lumina pulsată ultra-scurtă care este comprimată și blocată în interior într-o perioadă scurtă de timp realizează un efect uimitor de putere ultra-înaltă și nu provoacă daune suplimentare mediului înconjurător. În plus, lumina pulsată a laserului de femtosecundă poate lua imagini stereoscopice extrem de fine ale obiectelor. Imagistica stereoscopică este foarte utilă în diagnosticul medical, deschizând astfel un nou domeniu de cercetare numit tomografie cu interferență optică. Aceasta este o imagine stereoscopică a țesuturilor vii și a celulelor vii luate cu un laser de femtosecundă. De exemplu, un puls foarte scurt de lumină este îndreptat spre piele, lumina pulsată este reflectată de suprafața pielii și o parte din lumina pulsată este injectată în piele. Interiorul pielii este compus din multe straturi, iar lumina pulsată care intră în piele este respinsă ca o mică lumină pulsată, iar structura internă a pielii poate fi cunoscută din ecourile acestor diverse lumini pulsate în lumina reflectată.
În plus, această tehnologie are o mare utilitate în oftalmologie, capabilă să realizeze imagini stereoscopice ale retinei adânc în ochi. Acest lucru permite medicilor să diagnosticheze dacă există o problemă cu țesutul lor. Acest tip de examinare nu se limitează la ochi. Dacă un laser este trimis în corp cu o fibră optică, este posibil să se examineze toate țesuturile diferitelor organe din corp și chiar să fie posibil să se verifice dacă acesta a devenit cancer în viitor.

Implementarea unui ceas ultra-precis
Oamenii de știință cred că dacă alaser femtosecundeceasul este realizat folosind lumină vizibilă, va putea măsura timpul mai precis decât ceasurile atomice și va fi cel mai precis ceas din lume pentru anii următori. Dacă ceasul este precis, atunci precizia GPS-ului (Global Positioning System) utilizat pentru navigația auto este, de asemenea, mult îmbunătățită.
De ce lumina vizibilă poate face un ceas precis? Toate ceasurile și ceasurile sunt inseparabile de mișcarea unui pendul și a unui angrenaj, iar prin oscilația pendulului cu o frecvență precisă de vibrație, angrenajul se rotește pentru câteva secunde, iar un ceas precis nu face excepție. Prin urmare, pentru a realiza un ceas mai precis, este necesar să folosiți un pendul cu o frecvență de vibrație mai mare. Ceasurile cu cuarț (ceasurile care oscilează cu cristale în loc de pendul) sunt mai precise decât ceasurile cu pendul deoarece rezonatorul cu cuarț oscilează de mai multe ori pe secundă.
Ceasul atomic cu cesiu, care este acum standardul de timp, oscilează la o frecvență de aproximativ 9,2 gigaherți (prefixul unității internaționale giga, 1 giga = 10^9). Ceasul atomic folosește frecvența naturală de oscilație a atomilor de cesiu pentru a înlocui pendulul cu microunde cu aceeași frecvență de oscilație, iar precizia sa este de doar 1 secundă în zeci de milioane de ani. În schimb, lumina vizibilă are o frecvență de oscilație de 100.000 până la 1.000.000 de ori mai mare decât cea a microundelor, adică folosind energia luminii vizibile pentru a crea un ceas de precizie de milioane de ori mai precis decât ceasurile atomice. Cel mai precis ceas din lume care folosește lumină vizibilă a fost acum construit cu succes în laborator.
Cu ajutorul acestui ceas precis, teoria relativității a lui Einstein poate fi verificată. Am pus unul dintre aceste ceasuri precise în laborator și celălalt în biroul de la parter, având în vedere ce s-ar putea întâmpla, după o oră sau două, rezultatul a fost cel prezis de teoria relativității a lui Einstein, datorită celor două. Există „câmpuri gravitaționale” diferite. „ între etaje, cele două ceasuri nu mai indică aceeași oră, iar ceasul de jos merge mai încet decât cel de la etaj. Cu un ceas mai precis, poate chiar și ora de la încheietura mâinii și la gleznă ar fi diferită în acea zi. Putem experimenta pur și simplu magia relativității cu ajutorul unor ceasuri precise.

Tehnologia de încetinire a vitezei luminii
În 1999, profesorul Rainer Howe de la Universitatea Hubbard din Statele Unite a încetinit cu succes lumina la 17 metri pe secundă, o viteză pe care o poate atinge o mașină, și apoi a încetinit cu succes la un nivel pe care chiar și o bicicletă îl poate atinge. Acest experiment implică cea mai avansată cercetare în fizică, iar acest articol prezintă doar două chei ale succesului experimentului. Una este de a construi un „nor” de atomi de sodiu la o temperatură extrem de scăzută aproape de zero absolut (-273,15°C), o stare specială de gaz numită condensat Bose-Einstein. Celălalt este un laser care modulează frecvența vibrațională (laserul pentru control) și iradiază cu el un nor de atomi de sodiu și, ca urmare, se întâmplă lucruri incredibile.
Oamenii de știință folosesc mai întâi laserul de control pentru a comprima lumina pulsată în norul de atomi, iar viteza este extrem de încetinită. În acest moment, laserul de control este oprit, lumina pulsată dispare, iar informațiile purtate de lumina pulsată sunt stocate în norul de atomi. . Apoi este iradiat cu un laser de control, lumina pulsată este recuperată și iese din norul de atomi. Deci pulsul comprimat inițial este întins din nou și viteza este restabilită. Întregul proces de introducere a informațiilor de lumină pulsată într-un nor atomic este similar cu citirea, stocarea și resetarea într-un computer, așa că această tehnologie este utilă pentru realizarea calculatoarelor cuantice.

Lumea de la „femtosecundă” la „atosecundă”
Femtosecundesunt dincolo de imaginația noastră. Acum ne-am întors în lumea attosecundelor, care sunt mai scurte decât femtosecunde. A este o abreviere pentru prefixul SI atto. 1 attosecundă = 1 × 10^-18 secunde = o miime de femtosecundă. Impulsurile de attosecundă nu pot fi făcute cu lumină vizibilă, deoarece lungimi de undă mai scurte ale luminii trebuie utilizate pentru a scurta pulsul. De exemplu, în cazul producerii de impulsuri cu lumină vizibilă roșie, este imposibil să se facă impulsuri mai scurte decât lungimea de undă respectivă. Lumina vizibilă are o limită de aproximativ 2 femtosecunde, pentru care impulsurile de attosecunde utilizează raze X cu lungime de undă mai scurtă sau raze gamma. Ceea ce va fi descoperit în viitor folosind impulsuri de raze X de attosecundă este neclar. De exemplu, utilizarea flash-urilor de attosecundă pentru a vizualiza biomoleculele ne permite să le observăm activitatea pe scale de timp extrem de scurte și, probabil, să identificăm structura biomoleculelor.