Femtosekund laser

A femtosekund laserer en "ultrashort pulse light"-genererende enhed, der kun udsender lys i en ultrakort tid på omkring et gigasekund. Fei er forkortelsen af ​​Femto, præfikset for International System of Units, og 1 femtosekund = 1×10^-15 sekunder. Det såkaldte pulserende lys udsender kun lys i et øjeblik. Den lysemitterende tid for et kameras blitz er omkring 1 mikrosekund, så det ultrakorte pulslys på femtosekund udsender kun lys i omkring en milliarddel af sin tid. Som vi alle ved, er lysets hastighed 300.000 kilometer i sekundet (7 en halv cirkler rundt om jorden på 1 sekund) med en uovertruffen hastighed, men på 1 femtosekund bevæger selv lys sig kun frem med 0,3 mikron.

Ofte er vi med flashfotografering i stand til at skære den øjeblikkelige tilstand af et objekt i bevægelse. Ligeledes, hvis en femtosekund-laser blinker, er det muligt at se hvert fragment af den kemiske reaktion, selvom den fortsætter med en voldsom hastighed. Til dette formål kan femtosekundlasere bruges til at studere mysteriet om kemiske reaktioner.
Generelle kemiske reaktioner udføres efter at have passeret en mellemtilstand med høj energi, den såkaldte "aktiverede tilstand". Eksistensen af ​​en aktiveret tilstand blev teoretisk forudsagt af kemiker Arrhenius så tidligt som i 1889, men den kan ikke direkte observeres, fordi den eksisterer i meget kort tid. Men dets eksistens blev direkte demonstreret af femtosekundlasere i slutningen af ​​1980'erne, et eksempel på, hvordan kemiske reaktioner kan identificeres med femtosekundlasere. For eksempel nedbrydes cyclopentanonmolekylet til carbonmonoxid og 2 ethylenmolekyler i den aktiverede tilstand.
Femtosekundlasere bruges nu også inden for en lang række områder såsom fysik, kemi, biovidenskab, medicin og teknik, især inden for lys og elektronik. Dette skyldes, at lysets intensitet kan transmittere en stor mængde information fra et sted til et andet næsten uden tab, hvilket yderligere fremskynder den optiske kommunikation. Inden for kernefysik har femtosekundlasere bragt en enorm indvirkning. Fordi pulseret lys har et meget stærkt elektrisk felt, er det muligt at accelerere elektroner til nær lysets hastighed inden for 1 femtosekund, så det kan bruges som en "accelerator" til at accelerere elektroner.

Anvendelse i medicin
Som nævnt ovenfor er selv lys i femtosekund-verdenen frosset, så det ikke kan rejse ret langt, men selv på denne tidsskala bevæger atomer, molekyler i stof og elektroner inde i computerchips sig stadig i kredsløb. Hvis femtosekundpulsen kan bruges til at stoppe den øjeblikkeligt, skal du studere, hvad der sker. Ud over at blinke tid til at stoppe, er femtosekundlasere i stand til at bore bittesmå huller i metal så små som 200 nanometer (2/10.000 af en millimeter) i diameter. Det betyder, at det ultrakorte pulserende lys, der komprimeres og låses inde i løbet af kort tid, opnår en fantastisk effekt af ultrahøj output, og forårsager ikke yderligere skader på omgivelserne. Ydermere kan femtosekundlaserens pulserende lys tage ekstremt fine stereoskopiske billeder af objekter. Stereoskopisk billeddannelse er meget nyttig i medicinsk diagnose og åbner dermed op for et nyt forskningsfelt kaldet optisk interferenstomografi. Dette er et stereoskopisk billede af levende væv og levende celler taget med en femtosekundlaser. For eksempel rettes en meget kort lyspuls mod huden, det pulserende lys reflekteres fra hudens overflade, og en del af det pulserende lys sprøjtes ind i huden. Indersiden af ​​huden er sammensat af mange lag, og det pulserende lys, der kommer ind i huden, reflekteres tilbage som et lille pulserende lys, og hudens indre struktur kan kendes fra ekkoerne af disse forskellige pulserende lys i det reflekterede lys.
Derudover har denne teknologi stor nytte i oftalmologi, i stand til at tage stereoskopiske billeder af nethinden dybt i øjet. Dette giver lægerne mulighed for at diagnosticere, om der er et problem med deres væv. Denne type undersøgelse er ikke begrænset til øjnene. Sendes en laser ind i kroppen med en optisk fiber, er det muligt at undersøge alt væv fra forskellige organer i kroppen, og det kan endda være muligt at tjekke, om det er blevet til kræft i fremtiden.

Implementering af et ultrapræcis ur
Forskere mener, at hvis enfemtosekund laserur er lavet ved hjælp af synligt lys, vil det være i stand til at måle tiden mere præcist end atomure, og det vil være verdens mest nøjagtige ur i de kommende år. Hvis uret er nøjagtigt, så er nøjagtigheden af ​​GPS'en (Global Positioning System), der bruges til bilnavigation, også væsentligt forbedret.
Hvorfor kan synligt lys lave et præcist ur? Alle ure og ure er uadskillelige fra bevægelsen af ​​et pendul og et tandhjul, og gennem pendulets svingning med en præcis vibrationsfrekvens roterer gearet i sekunder, og et præcist ur er ingen undtagelse. For at lave et mere præcist ur er det derfor nødvendigt at bruge et pendul med en højere vibrationsfrekvens. Kvartsure (ure, der svinger med krystaller i stedet for penduler) er mere nøjagtige end pendulure, fordi kvartsresonatoren svinger flere gange i sekundet.
Cæsium atomuret, som nu er tidsstandarden, svinger med en frekvens på omkring 9,2 gigahertz (præfikset for den internationale enhed giga, 1 giga = 10^9). Atomuret bruger cæsiumatomernes naturlige oscillationsfrekvens til at erstatte pendulet med mikrobølger med samme oscillationsfrekvens, og dets nøjagtighed er kun 1 sekund på titusinder af millioner af år. I modsætning hertil har synligt lys en oscillationsfrekvens, der er 100.000 til 1.000.000 gange højere end mikrobølger, det vil sige ved at bruge synlig lysenergi til at skabe et præcisionsur, der er millioner af gange mere nøjagtigt end atomure. Verdens mest nøjagtige ur, der bruger synligt lys, er nu blevet bygget med succes i laboratoriet.
Ved hjælp af dette præcise ur kan Einsteins relativitetsteori verificeres. Vi satte det ene af disse præcise ure i laboratoriet og det andet i kontoret i underetagen, i betragtning af hvad der kunne ske, efter en time eller to var resultatet som forudsagt af Einsteins relativitetsteori, på grund af de to. Der er forskellige "tyngdefelter " mellem etagerne peger de to ure ikke længere på samme tid, og uret nedenunder går langsommere end det ovenpå. Med et mere præcist ur ville måske endda tiden på håndled og ankel være anderledes den dag. Vi kan simpelthen opleve relativitetens magi ved hjælp af nøjagtige ure.

Teknologi til sænkning af lyshastighed
I 1999 fik professor Rainer Howe fra Hubbard University i USA succes med at bremse lyset til 17 meter i sekundet, en hastighed som en bil kan hamle op med, og derefter med succes bremset ned til et niveau, som selv en cykel kan hamle op med. Dette eksperiment involverer den mest banebrydende forskning inden for fysik, og denne artikel introducerer kun to nøgler til eksperimentets succes. Den ene er at bygge en "sky" af natriumatomer ved en ekstremt lav temperatur tæt på det absolutte nulpunkt (-273,15°C), en speciel gastilstand kaldet Bose-Einstein-kondensat. Den anden er en laser, der modulerer vibrationsfrekvensen (laseren til kontrol) og bestråler en sky af natriumatomer med den, og som et resultat sker der utrolige ting.
Forskere bruger først kontrollaseren til at komprimere det pulserende lys i skyen af ​​atomer, og hastigheden sænkes ekstremt. På dette tidspunkt er kontrollaseren slukket, det pulserende lys forsvinder, og informationen, der føres på det pulserende lys, lagres i skyen af ​​atomer. . Derefter bestråles det med en kontrollaser, det pulserede lys genvindes, og det går ud af skyen af ​​atomer. Så den oprindeligt komprimerede puls strækkes igen, og hastigheden genoprettes. Hele processen med at indtaste pulserende lysinformation i en atomsky ligner læsning, lagring og nulstilling i en computer, så denne teknologi er nyttig til realisering af kvantecomputere.

Verden fra "femtosecond" til "attosecond"
Femtosekunderer uden for vores fantasi. Nu er vi tilbage i verden af ​​attosekunder, som er kortere end femtosekunder. A er en forkortelse for SI-præfikset atto. 1 attoseund = 1 × 10^-18 sekunder = en tusindedel af et femtosekund. Attosecond-impulser kan ikke laves med synligt lys, fordi kortere bølgelængder af lys skal bruges til at forkorte impulsen. For eksempel, i tilfælde af at lave pulser med rødt synligt lys, er det umuligt at gøre pulser kortere end den bølgelængde. Synligt lys har en grænse på omkring 2 femtosekunder, for hvilke attosekundpulser bruger kortere bølgelængde røntgenstråler eller gammastråler. Hvad der vil blive opdaget i fremtiden ved hjælp af attosecond røntgenimpulser er uklart. For eksempel gør brugen af ​​attosecond-blink til at visualisere biomolekyler, der gør os i stand til at observere deres aktivitet på ekstremt korte tidsskalaer og måske lokalisere strukturen af ​​biomolekyler.