Femtoszekundumos lézer

A femtoszekundumos lézeregy "ultrarövid impulzusú fényt" generáló berendezés, amely csak ultrarövid, körülbelül egy gigamásodperces ideig bocsát ki fényt. A Fei a Femto rövidítése, a Nemzetközi Mértékegységrendszer előtagja, és 1 femtoszekundum = 1×10^-15 másodperc. Az úgynevezett pulzáló fény csak egy pillanatra bocsát ki fényt. A fényképezőgép vakujának fénykibocsátási ideje körülbelül 1 mikroszekundum, így a femtoszekundumos ultrarövid impulzusú fény csak idejének körülbelül egymilliárd részét bocsát ki. Mint mindannyian tudjuk, a fénysebesség 300 000 kilométer/másodperc (7 és fél kör a Föld körül 1 másodperc alatt) páratlan sebességgel, de 1 femtoszekundum alatt még a fény is csak 0,3 mikront halad előre.

A vakufotózással gyakran ki tudjuk vágni egy mozgó tárgy pillanatnyi állapotát. Hasonlóképpen, ha egy femtoszekundumos lézert villantanak fel, akkor a kémiai reakció minden töredéke látható még akkor is, ha az heves sebességgel megy végbe. Ennek érdekében femtoszekundumos lézerekkel lehet tanulmányozni a kémiai reakciók rejtélyét.
Az általános kémiai reakciók egy nagy energiájú köztes állapoton, az úgynevezett "aktivált állapoton" való áthaladás után mennek végbe. Az aktivált állapot létezését Arrhenius kémikus elméletileg már 1889-ben megjósolta, de közvetlenül nem figyelhető meg, mert nagyon rövid ideig létezik. De létezését közvetlenül demonstrálták a femtoszekundumos lézerek az 1980-as évek végén, példát mutatva arra, hogyan lehet femtoszekundumos lézerekkel pontosan meghatározni a kémiai reakciókat. Például a ciklopentanon molekula az aktivált állapot hatására szén-monoxidra és 2 etilénmolekulára bomlik.
A femtoszekundumos lézereket ma már számos területen is használják, mint például a fizika, a kémia, az élettudományok, az orvostudomány és a mérnöki tudományok, különösen a fény- és elektronika területén. A fény intenzitása ugyanis nagy mennyiségű információt képes szinte veszteség nélkül továbbítani egyik helyről a másikra, tovább gyorsítva az optikai kommunikációt. A magfizika területén a femtoszekundumos lézerek óriási hatást értek el. Mivel az impulzusfénynek nagyon erős elektromos mezője van, így 1 femtoszekundum alatt a fénysebesség közelébe gyorsítható az elektron, így "gyorsítóként" használható az elektronok gyorsítására.

Alkalmazás az orvostudományban
Ahogy fentebb említettük, a femtoszekundumos világban még a fény is le van fagyva, hogy ne tudjon nagyon messzire eljutni, de még ebben az időskálában is áramkörökben mozognak az anyagban lévő atomok, molekulák és a számítógépchipekben lévő elektronok. Ha a femtoszekundumos impulzus segítségével azonnal meg lehet állítani, tanulmányozza, mi történik. A felvillanási időn túlmenően a femtoszekundumos lézerek akár 200 nanométer (2/10 000 milliméter) átmérőjű lyukakat is képesek fúrni fémbe. Ez azt jelenti, hogy az ultrarövid impulzusfény, amelyet rövid időn belül összenyomnak és bezárnak, az ultra-nagy teljesítmény elképesztő hatását éri el, és nem okoz további károkat a környezetben. Ezenkívül a femtoszekundumos lézer pulzáló fénye rendkívül finom sztereoszkópikus képeket tud készíteni a tárgyakról. A sztereoszkópos képalkotás nagyon hasznos az orvosi diagnosztikában, és ezzel egy új kutatási területet nyit meg, az úgynevezett optikai interferencia-tomográfiát. Ez egy femtoszekundumos lézerrel készült sztereoszkópikus kép élő szövetekről és élő sejtekről. Például egy nagyon rövid fényimpulzus a bőrre irányul, a pulzáló fény visszaverődik a bőr felszínéről, és a pulzáló fény egy részét a bőrbe fecskendezik. A bőr belseje sok rétegből áll, és a bőrbe jutó pulzáló fény kis impulzusfényként verődik vissza, és ezeknek a különféle pulzáló fényeknek a visszavert fényben való visszhangjából ismerhető meg a bőr belső szerkezete.
Ezen túlmenően ez a technológia nagy hasznát veszi a szemészetben, mivel képes sztereoszkópikus képeket készíteni a retináról a szem mélyén. Ez lehetővé teszi az orvosok számára, hogy diagnosztizálják, hogy van-e probléma a szövetükkel. Ez a fajta vizsgálat nem korlátozódik a szemekre. Ha optikai szállal lézert juttatnak a szervezetbe, a szervezet különböző szerveinek összes szövetét meg lehet vizsgálni, sőt azt is ellenőrizni lehet, hogy a jövőben nem lett-e rákos.

Ultraprecíz óra megvalósítása
A tudósok úgy vélik, hogy ha afemtoszekundumos lézerAz óra látható fény felhasználásával készül, pontosabban tudja majd mérni az időt, mint az atomórák, és évekig ez lesz a világ legpontosabb órája. Ha pontos az óra, akkor az autós navigációhoz használt GPS (Global Positioning System) pontossága is nagymértékben javul.
Miért készíthet a látható fény pontos órát? Minden óra és óra elválaszthatatlan az inga és a fogaskerék mozgásától, és az inga precíz rezgési frekvenciájú lengése révén a fogaskerék másodpercekig forog, és ez alól a pontos óra sem kivétel. Ezért a pontosabb óra elkészítéséhez magasabb rezgési frekvenciájú ingát kell használni. A kvarcórák (ingák helyett kristályokkal oszcilláló órák) pontosabbak, mint az ingaórák, mivel a kvarcrezonátor másodpercenként többször rezeg.
A cézium atomóra, amely ma az időszabvány, körülbelül 9,2 gigahertzes frekvencián oszcillál (a giga nemzetközi egység előtagja, 1 giga = 10^9). Az atomóra a céziumatomok természetes rezgési frekvenciájával helyettesíti az ingát azonos rezgési frekvenciájú mikrohullámokkal, és a pontossága több tízmillió év alatt mindössze 1 másodperc. Ezzel szemben a látható fény oszcillációs frekvenciája 100 000-1 000 000-szer nagyobb, mint a mikrohullámoké, vagyis a látható fény energiáját felhasználva olyan precíziós órát hoznak létre, amely milliószor pontosabb az atomóráknál. A világ legpontosabb, látható fényt használó órája most sikeresen megépült a laboratóriumban.
A pontos óra segítségével Einstein relativitáselmélete igazolható. Az egyik ilyen pontos órákat a laboratóriumba, a másikat a földszinti irodába helyeztük, figyelembe véve, hogy mi történhet, egy-két óra elteltével az eredmény olyan lett, mint ahogy azt Einstein relativitáselmélete megjósolta, a két Különböző gravitációs mezők miatt. "Az emeletek között a két óra már nem ugyanarra az időre mutat, és a lenti óra lassabban jár, mint az emeleti. Pontosabb órával talán még a csuklón és a bokán is más lenne az idő aznap. Egyszerűen megtapasztalhatjuk a relativitáselmélet varázsát pontos órák segítségével.

Fénysebesség lassító technológia
1999-ben az egyesült államokbeli Hubbard Egyetem professzora, Rainer Howe sikeresen lelassította a fényt másodpercenként 17 méteres sebességre, amely sebességre egy autó is fel tud ugrani, majd sikeresen lelassult olyan szintre, amelyet még egy kerékpár is utolér. Ez a kísérlet a fizika legkorszerűbb kutatásait foglalja magában, és ez a cikk csak a kísérlet sikerének két kulcsát mutatja be. Az egyik az, hogy rendkívül alacsony, az abszolút nullához közeli hőmérsékleten (-273,15°C) nátriumatomokból "felhőt" kell építeni, ez egy speciális gázállapot, az úgynevezett Bose-Einstein kondenzátum. A másik egy lézer, ami modulálja a rezgési frekvenciát (a lézer a vezérléshez), és nátrium atomfelhőt sugároz be vele, és ennek hatására hihetetlen dolgok történnek.
A tudósok először a vezérlőlézerrel tömörítik a pulzáló fényt az atomfelhőben, és a sebesség rendkívül lelassul. Ekkor a vezérlőlézer kikapcsol, a pulzáló fény eltűnik, és a pulzáló fényen továbbított információ az atomfelhőben tárolódik. . Ezután vezérlő lézerrel besugározzák, a pulzáló fényt visszanyerik, és kimegy az atomfelhőből. Így az eredetileg összenyomott impulzus ismét megnyúlik, és a sebesség visszaáll. A pulzáló fény információinak atomi felhőbe való bevitelének teljes folyamata hasonló a számítógépben történő olvasáshoz, tároláshoz és alaphelyzetbe állításhoz, így ez a technológia hasznos a kvantumszámítógépek megvalósításában.

A világ a „femtoszekundumtól” az „attoszekundumig”
Femtoszekundummeghaladják a képzeletünket. Most visszatértünk az attoszekundumok világába, amelyek rövidebbek a femtoszekundumoknál. Az A az atto SI előtag rövidítése. 1 attoszekundum = 1 × 10^-18 másodperc = a femtoszekundum egy ezredrésze. Attoszekundumos impulzusok nem készíthetők látható fénnyel, mert rövidebb hullámhosszú fényt kell használni az impulzus lerövidítésére. Például vörös látható fényű impulzusok készítése esetén lehetetlen ennél a hullámhossznál rövidebb impulzusokat készíteni. A látható fény korlátja körülbelül 2 femtoszekundum, amelyhez az attoszekundumos impulzusok rövidebb hullámhosszú röntgen- vagy gamma-sugarakat használnak. Nem világos, hogy a jövőben mit fedeznek fel az attoszekundumos röntgenimpulzusok segítségével. Például az attoszekundumos villanások használata a biomolekulák megjelenítésére lehetővé teszi számunkra, hogy rendkívül rövid időn belül megfigyeljük aktivitásukat, és talán pontosan meghatározzuk a biomolekulák szerkezetét.