Primjena femtosekundnih lasera

Femtosekundni laseri su uređaji koji generišu "ultraskratko impulsno svjetlo" koji emituju svjetlost u ultrakratkom vremenskom periodu od samo jednog gigabita sekunde. Femto je skraćenica međunarodnog sistema jedinica femto (femto), 1 femtosekunda=1 × 10^-15 sekundi. Takozvana pulsirajuća svjetlost samo u trenutku oslobađa svjetlost. Vrijeme emitiranja svjetlosti blica kamere je oko 1 mikrosekundu, tako da je ultra-kratki puls femtosekundnog svjetla samo oko jedne milijarde vremena za oslobađanje svjetlosti. Kao što svi znamo, brzina svjetlosti je 300,000 kilometara u sekundi (7 i po sedmica oko Zemlje u 1 sekundi), neusporediva brzina, ali tokom 1 femtosekunde čak i svjetlost je samo 0,3 mikrona naprijed.
Obično koristimo blic fotografiju da bismo mogli da isečemo trenutno stanje objekta u pokretu. Slično, uz femtosekundni laserski bljesak, moguće je vidjeti svaki fragment kemijske reakcije koja se odvija velikom brzinom. Iz tog razloga, femtosekundni laseri se mogu koristiti za proučavanje misterije hemijskih reakcija.
Hemijske reakcije se općenito odvijaju nakon srednjeg stanja visoke energije, takozvanog "aktiviranog stanja". Postojanje aktivacionog stanja je teoretski predvidio hemičar Arrhenius 1889. godine, ali se ono nije moglo direktno posmatrati jer je postojalo u vrlo kratkom vremenu. Međutim, njegovo postojanje je direktno demonstrirao femtosekundni laser kasnih 1980-ih, a ovo je primjer kemijske reakcije identificirane sa femtosekundnim laserom. Na primjer, razlaganje molekule ciklopentanona na ugljični monoksid i dva molekula etilena u aktiviranom stanju.
Danas se femtosekundni laseri takođe koriste u širokom spektru oblasti kao što su fizika, hemija, nauke o životu, medicina, inženjering, itd. Konkretno, svetlost i elektronika idu ruku pod ruku i od njih se očekuje da otvore sve vrste novih mogućnosti u polju komunikacija ili kompjutera i energije. To je zato što intenzitet svjetlosti može prenijeti veliku količinu informacija s jednog mjesta na drugo gotovo bez gubitka, čineći optičku komunikaciju dodatnom brzinom. U polju nuklearne fizike, femtosekundni laseri su napravili ogroman uticaj. Budući da pulsirajuća svjetlost ima vrlo jako električno polje, moguće je ubrzati elektrone do brzine svjetlosti za 1 femtosekundu, pa se stoga može koristiti kao "papučica gasa" za ubrzanje elektrona.
Medicinske aplikacije
Kao što je gore spomenuto, svijet u femtosekundama je toliko zamrznut da se čak ni svjetlost ne može pomaknuti daleko, ali čak i na ovoj vremenskoj skali, atomi i molekuli u materiji i elektroni u krugovima unutar kompjuterskih čipova i dalje se kreću. Ako koristite femtosekundne impulse, možete ga zaustaviti odmah i proučiti šta se dešava. Osim bljeskova koji zaustavljaju vrijeme, femtosekundni laseri su u stanju da buše mikroskopske rupe u metalu do 200 nanometara (dvijehiljaditi dio milimetra) u prečniku. To znači da ultrakratki impulsi svjetlosti koji su komprimirani i zaključani unutra na kratko vrijeme dobijaju nevjerovatno visok izlaz bez dodatnog oštećenja okolnog područja. Nadalje, pulsirajuća svjetlost iz femtosekundnog lasera može napraviti izuzetno fine stereo slike subjekta. Stereoskopska fotografija je od velike koristi u medicinskoj dijagnostici, čime se otvara novo polje istraživanja pod nazivom optička interferentna tomografija. Ovo je upotreba femtosekundnih lasera za snimanje stereoskopskih slika živog tkiva i ćelija. Na primjer, vrlo kratak svjetlosni impuls usmjeren je na kožu, a pulsirajuća svjetlost se reflektira na površini kože, pri čemu se dio pulsirajućeg svjetla usmjerava u kožu. Unutrašnjost kože sastoji se od mnogo slojeva, a pulsirajuća svjetlost koja se upucava u kožu odbija se u obliku malih impulsa, a iz odjeka ovih oblikovanih impulsnih svjetala u reflektiranoj svjetlosti moguće je saznati unutrašnju strukturu koža.
Osim toga, ova tehnologija ima veliku korist u oftalmologiji, gdje je moguće napraviti stereoskopske slike mrežnice duboko unutar oka. Lekari su tako u mogućnosti da dijagnostikuju da li postoji problem sa njegovim tkivima. Ovaj pregled nije ograničen samo na oči, već ako se laser optičkim vlaknima pošalje u tijelo, mogu se pregledati sva tkiva raznih organa u tijelu, a u budućnosti bi se moglo čak i provjeriti da li su postala kancerogena.
Postignite ultra precizan sat
Naučnici vjeruju da će, ako se sat sa femtosekundnim laserom napravi pomoću vidljive svjetlosti, moći preciznije mjeriti vrijeme od atomskog sata i da će služiti kao najprecizniji sat na svijetu u narednim godinama. Ako je sat tačan, to također uvelike poboljšava preciznost GPS-a (Global Positioning System) koji se koristi za navigaciju automobila.
Zašto vidljiva svjetlost može napraviti tačne satove? Svi satovi i satovi nemaju klatno i zupčanike za kretanje, kroz njihanje klatna sa preciznom frekvencijom vibracija, tako da se zupčanici okreću sekunde, tačni satovi nisu izuzetak. Stoga, da bi se stvorili precizniji satovi, potrebno je koristiti klatno sa većom frekvencijom vibracija. Kvarcni satovi (satovi sa kristalnim oscilacijama umjesto klatna) su precizniji od satova s ​​klatnom, a to je zato što kvarcni rezonatori osciliraju više puta u sekundi.
Frekvencija oscilovanja atomskog sata cezijuma, koji je sada standard vremena, je oko 9,2 gigaherca (reč glava međunarodne jedinice giga, 1 gig=10^9). Atomski sat je upotreba atoma cezijuma inherentna frekvencija oscilovanja, sa frekvencijom oscilovanja koja je u skladu sa mikrotalasnom umesto klatna, njegova tačnost je desetine miliona godina samo 1 sekunda razlika. Nasuprot tome, vidljiva svjetlost ima frekvenciju osciliranja 100,000 do 1 milion puta veću od frekvencije mikrovalnih oscilacija, odnosno vidljiva svjetlost se može koristiti za kreiranje preciznih satova sa milion puta većom preciznošću od atomskih satova. Sada je u laboratoriji uspješno napravljen najprecizniji sat na svijetu koji koristi vidljivu svjetlost.
Uz pomoć ovog preciznog sata moguće je provjeriti Ajnštajnovu teoriju relativnosti. Mi ćemo biti tako precizan sat u laboratoriji, drugi u kancelariji dole, razmotrimo moguću situaciju, nakon jednog ili dva sata, rezultati kako predviđa Einsteinova teorija relativnosti, zbog dva sloja imaju različito "gravitaciono polje" između dva sata više ne pokazuju na isto vrijeme, sat dolje nego sat na spratu Sat dole ide sporije od sata na spratu. Sa preciznijim satom, možda čak ni sat na zapešću i gležnju ne bi imali isto vrijeme tog dana. Jednostavno možemo doživjeti fascinaciju relativnosti uz pomoć tačnih satova.
Tehnologija usporavanja svjetlosti
Godine 1999. profesor Rainer Howe sa Univerziteta Hubbart u Sjedinjenim Državama uspio je usporiti svjetlost na 17 metara u sekundi, brzinu koju je mogao sustići automobil, a kasnije i na brzinu koju je mogao sustići čak i bicikl. Ovaj eksperiment uključuje istraživanja na čelu fizike, a u ovom radu su predstavljena samo dva ključa uspjeha eksperimenta. Jedna je konstrukcija "oblaka" atoma natrijuma na ekstremno niskim temperaturama blizu apsolutne nule (-273.15 stepeni), posebnog gasnog stanja poznatog kao Bose-Einstein kondenzat. Drugi je laser (kontrolni laser) koji reguliše frekvenciju vibracija i njime zrači oblak atoma natrijuma, tako da se dešava nešto neverovatno.
Prije svega, uz pomoć kontrolnog lasera, pulsirajuća svjetlost je komprimirana u oblaku atoma i usporena do ekstremne brzine. Zatim se kontrolni laser ponovo zasja, a pulsirajuća svjetlost se obnavlja i izlazi iz atomskog oblaka. Impulsi koji su bili komprimirani se zatim ponovo proširuju i brzina se vraća. Cijeli proces unošenja pulsne svjetlosne informacije u atomski oblak sličan je čitanju, pohranjivanju i resetovanju u kompjuteru, pa je ova tehnika korisna za implementaciju kvantnih kompjutera.
Od "femtosekundnog" u "attosekundni" svijet
Femtosekunde su već izvan naše mašte. Sada ulazimo u svijet "attosekunde" koja je čak i kraća od femtosekunde. A je skraćenica od riječi atto Međunarodnog sistema jedinica (SI). 1 atosekunda=1 x 10^-18 sekundi=1 hiljaditi dio femtosekunde. Attosekundni impuls se ne može napraviti sa vidljivom svjetlošću jer se kraći impulsi moraju napraviti s kraćim talasnim dužinama svjetlosti. Na primjer, ako želite stvoriti impuls sa crvenim vidljivim svjetlom, nije moguće kreirati impuls kraće valne dužine od te. Vidljiva svjetlost je granica od oko 2 femtosekunde, pa se iz tog razloga atosekundni impulsi stvaraju kraćim talasnim dužinama rendgenskih ili gama zraka. Nije jasno šta se može naći u budućnosti koristeći atosekundni rendgenski puls. Na primjer, korištenjem attosekundnog međubljeska za vizualizaciju biomolekule, moguće je promatrati njegovu aktivnost u vrlo kratkom vremenskom rasponu i možda identificirati strukturu biomolekule.