Primjena femtosekundnih lasera

Femtosekundni laseri su uređaji za generiranje "ultrakratkog pulsirajućeg svjetla" koji emitiraju svjetlost u ultrakratkom vremenskom razdoblju od samo jednog gigabita sekunde. Femto je skraćenica međunarodnog sustava jedinica femto (femto), 1 femtosekunda=1 × 10^-15 sekunda. Takozvana pulsirajuća svjetlost samo u trenutku oslobađa svjetlost. Vrijeme emitiranja svjetlosti bljeskalice fotoaparata je oko 1 mikrosekunde, tako da je ultrakratki puls femtosekunde svjetlosti samo oko jedne milijarde vremena za oslobađanje svjetlosti. Kao što svi znamo, brzina svjetlosti je 300,000 kilometara u sekundi (7 i pol tjedana oko Zemlje u 1 sekundi) neusporediva brzina, ali tijekom 1 femtosekunde ravnomjerna svjetlost je samo 0,3 mikrona naprijed.
Obično koristimo fotografiju bljeskalicom kako bismo mogli izrezati trenutno stanje pokretnog objekta. Slično, s femtosekundnim laserskim bljeskom moguće je vidjeti svaki fragment kemijske reakcije koja se odvija velikom brzinom. Iz tog razloga, femtosekundni laseri mogu se koristiti za proučavanje misterija kemijskih reakcija.
Kemijske reakcije općenito se odvijaju nakon srednjeg stanja visoke energije, takozvanog "aktiviranog stanja". Postojanje aktivacijskog stanja teoretski je predvidio kemičar Arrhenius 1889. godine, ali se ono nije moglo izravno uočiti jer je postojalo u vrlo kratkom vremenu. Međutim, njegovo postojanje izravno je dokazano femtosekundnim laserom kasnih 1980-ih, a ovo je primjer kemijske reakcije identificirane s femtosekundnim laserom. Na primjer, razgradnja molekule ciklopentanona na ugljikov monoksid i dvije molekule etilena u aktiviranom stanju.
Danas se femtosekundni laseri također koriste u širokom rasponu područja kao što su fizika, kemija, znanosti o životu, medicina, inženjerstvo itd. Konkretno, svjetlo i elektronika idu ruku pod ruku i očekuje se da će otvoriti sve vrste novih mogućnosti u području komunikacija ili računala i energetike. To je zato što intenzitet svjetlosti može prenijeti veliku količinu informacija s jednog mjesta na drugo gotovo bez gubitaka, čineći optičku komunikaciju dodatnom velikom brzinom. U području nuklearne fizike, femtosekundni laseri imali su veliki utjecaj. Budući da pulsirajuća svjetlost ima vrlo jako električno polje, moguće je ubrzati elektrone skoro do brzine svjetlosti u 1 femtosekundi, pa se stoga može koristiti kao "pedala za gas" za ubrzavanje elektrona.
Medicinske primjene
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 molekule u materiji i elektroni u krugovima unutar računalnih čipova i dalje se kreću. Ako koristite femtosekundne impulse, možete ga zaustaviti trenutno i proučavati što se događa. Osim bljeskova koji zaustavljaju vrijeme, femtosekundni laseri sposobni su izbušiti mikroskopske rupe u metalu promjera do 200 nanometara (dvije tisućinke milimetra). To znači da ultrakratki impulsi svjetlosti koji su komprimirani i zaključani unutra na kratko vrijeme dobivaju nevjerojatno visok izlaz bez dodatnog oštećenja okolnog područja. Nadalje, pulsirajuće svjetlo femtosekundnog lasera može snimiti iznimno fine stereo slike subjekta. Stereoskopska fotografija je od velike koristi u medicinskoj dijagnostici, otvarajući tako novo polje istraživanja zvano optička interferencijska tomografija. Ovo je upotreba femtosekundnih lasera za snimanje stereoskopskih slika živog tkiva i stanica. Na primjer, vrlo kratki puls svjetlosti usmjeren je na kožu, a pulsirajuća svjetlost se reflektira na površini kože, pri čemu se dio pulsirajuće svjetlosti usmjerava u kožu. Unutrašnjost kože sastoji se od mnogo slojeva, a pulsirajuće svjetlo koje je upaljeno u kožu odbija se natrag kao mali impulsi, a iz odjeka tih oblikovanih pulsirajućih svjetala u reflektiranom svjetlu moguće je znati unutarnju strukturu koža.
Osim toga, ova tehnologija ima veliku korist u oftalmologiji, gdje je moguće snimiti stereoskopske slike mrežnice duboko u oku. Liječnici tako mogu dijagnosticirati postoji li problem s njegovim tkivom. Ovaj pregled nije ograničen samo na oči, već ako se laser pošalje u tijelo optičkim vlaknima, mogu se pregledati sva tkiva raznih organa u tijelu, a u budućnosti bi se čak moglo provjeriti jesu li postala kancerogen.
Postignite ultraprecizan sat
Znanstvenici vjeruju da će sat s femtosekundnim laserom, ako se napravi pomoću vidljive svjetlosti, moći mjeriti vrijeme preciznije od atomskog sata i služit će kao najprecizniji sat na svijetu u narednim godinama. Ako je sat točan, to također uvelike poboljšava točnost GPS-a (Global Positioning System) koji se koristi za navigaciju automobila.
Zašto vidljiva svjetlost može napraviti točne satove? Svi satovi nemaju klatno i zupčanike za pomicanje, kroz njihanje klatna s točno određenom frekvencijom vibracije, tako da zupčanici okreću sekunde, točni satovi nisu iznimka. Stoga je za stvaranje preciznijih satova potrebno koristiti njihalo s većom frekvencijom titranja. Kvarcni satovi (satovi s kristalnim oscilacijama umjesto njihala) točniji su od satova s ​​njihalom, i to zato što kvarcni rezonatori osciliraju više puta u sekundi.
Frekvencija osciliranja cezijevog atomskog sata, koji je danas standard vremena, iznosi oko 9,2 gigaherca (riječ glava međunarodne jedinice giga, 1 gig=10^9). Atomski sat je korištenje inherentne frekvencije oscilacija atoma cezija, sa svojom frekvencijom oscilacije u skladu s mikrovalnom umjesto njihala, njegova točnost je desetke milijuna godina samo 1 sekunda razlike. Nasuprot tome, vidljiva svjetlost ima frekvenciju oscilacije 100,000 do 1 milijun puta veću od frekvencije mikrovalne oscilacije, to jest, vidljiva svjetlost može se koristiti za izradu preciznih satova s ​​milijun puta većom točnošću od atomskih satova. Sada je najprecizniji sat na svijetu koji koristi vidljivo svjetlo uspješno izgrađen u laboratoriju.
Uz pomoć ovog preciznog sata moguće je provjeriti Einsteinovu teoriju relativnosti. Bit ćemo tako precizan sat u laboratoriju, drugi u uredu dolje, razmotrit ćemo moguću situaciju, nakon jednog ili dva sata, rezultati predviđeni Einsteinovom teorijom relativnosti, jer dva sloja imaju različito "gravitacijsko polje" između dva sata više ne pokazuju isto vrijeme, sat dolje nego sat gore Sat dolje pomiče se sporije od sata gore. Uz točniji sat, možda ni sat na ruci i gležnju ne bi imali isto vrijeme taj dan. Jednostavno možemo iskusiti fascinaciju relativnosti uz pomoć točnih satova.
Tehnologija usporavanja svjetlosti
Godine 1999. profesor Rainer Howe sa Sveučilišta Hubbart u Sjedinjenim Američkim Državama uspio je usporiti svjetlost na 17 metara u sekundi, brzinu koju je mogao sustići automobil, a kasnije na brzinu koju je mogao sustići i bicikl. Ovaj eksperiment uključuje istraživanje na čelu fizike, au ovom su radu predstavljena samo dva ključa uspjeha eksperimenta. Jedan je konstrukcija "oblaka" natrijevih atoma na ekstremno niskim temperaturama blizu apsolutne nule (-273.15 stupnjeva), posebno plinovito stanje poznato kao Bose-Einsteinov kondenzat. Drugi je laser (kontrolni laser) koji regulira frekvenciju vibracija i njime zrači oblak natrijevih atoma, pri čemu se događa nešto nevjerojatno.
Prije svega, uz pomoć kontrolnog lasera, pulsirajuća svjetlost je sabijena u oblak atoma i usporena do ekstremne brzine. Zatim se kontrolni laser ponovno obasja, a pulsirajuća svjetlost se ponovno uspostavi i izlazi iz atomskog oblaka. Impulsi koji su bili komprimirani zatim se ponovno proširuju i brzina se vraća. Cijeli proces unosa informacija o pulsirajućoj svjetlosti u atomski oblak sličan je čitanju, pohranjivanju i resetiranju u računalu, pa je ova tehnika korisna za implementaciju kvantnih računala.
Od "femtosekundnog" do "atosekundnog" svijeta
Femtosekunde su već izvan naše mašte. Sada ulazimo u svijet "atosekunde" koja je čak i kraća od femtosekunde. A je skraćenica od riječi atto Međunarodnog sustava jedinica (SI). 1 atosekunda=1 x 10^-18 sekundi=1 tisućinka femtosekunde. Attosekundni puls ne može se napraviti s vidljivom svjetlošću jer se kraći impulsi moraju napraviti s kraćim valnim duljinama svjetlosti. Na primjer, ako želite stvoriti puls s crvenim vidljivim svjetlom, nije moguće stvoriti puls s kraćom valnom duljinom od toga. Vidljiva svjetlost je granica od oko 2 femtosekunde, i zbog toga se atosekundni impulsi stvaraju s kraćim valnim duljinama rendgenskih ili gama zraka. Nije jasno što se može pronaći u budućnosti pomoću atosekundnog rendgenskog pulsa. Na primjer, korištenjem atosekundnog međubljeska za vizualizaciju biomolekule, moguće je promatrati njezinu aktivnost u vrlo kratkom vremenskom razdoblju i možda identificirati strukturu biomolekule.