Фемтосекундный лазер

A фемтосекундный лазерпредставляет собой устройство, генерирующее «ультракороткий импульс света», которое излучает свет только в течение сверхкороткого времени, составляющего около одной гигасекунды. Fei — это сокращение от Femto, префикс Международной системы единиц, и 1 фемтосекунда = 1×10^-15 секунд. Так называемый импульсный свет излучает свет только на мгновение. Время излучения вспышки камеры составляет около 1 микросекунды, поэтому ультракороткий импульс света фемтосекунды излучает свет только около одной миллиардной части своего времени. Как мы все знаем, скорость света составляет 300 000 километров в секунду (7 с половиной оборотов вокруг Земли за 1 секунду) с беспрецедентной скоростью, но за 1 фемтосекунду даже свет перемещается всего на 0,3 микрона.

Часто при съемке со вспышкой мы можем вырезать мгновенное состояние движущегося объекта. Точно так же, если вспыхнуть фемтосекундным лазером, можно увидеть каждый фрагмент химической реакции, даже если она протекает с огромной скоростью. С этой целью фемтосекундные лазеры можно использовать для изучения тайны химических реакций.
Общие химические реакции осуществляются после прохождения через промежуточное состояние с высокой энергией, так называемое «активированное состояние». Существование активированного состояния было теоретически предсказано химиком Аррениусом еще в 1889 г., но его нельзя непосредственно наблюдать, поскольку оно существует очень короткое время. Но его существование было непосредственно продемонстрировано фемтосекундными лазерами в конце 1980-х годов, примером того, как химические реакции могут быть точно определены с помощью фемтосекундных лазеров. Например, молекула циклопентанона в активированном состоянии распадается на окись углерода и 2 молекулы этилена.
Фемтосекундные лазеры в настоящее время также используются в самых разных областях, таких как физика, химия, науки о жизни, медицина и инженерия, особенно в области света и электроники. Это связано с тем, что интенсивность света может передавать большое количество информации из одного места в другое практически без потерь, что еще больше ускоряет оптическую связь. В области ядерной физики фемтосекундные лазеры оказали огромное влияние. Поскольку импульсный свет имеет очень сильное электрическое поле, можно ускорить электроны почти до скорости света за 1 фемтосекунду, поэтому его можно использовать в качестве «ускорителя» для ускорения электронов.

Применение в медицине
Как упоминалось выше, в фемтосекундном мире даже свет заморожен, так что он не может распространяться очень далеко, но даже в этом масштабе времени атомы, молекулы материи и электроны внутри компьютерных чипов все еще движутся по цепям. Если можно использовать фемтосекундный импульс, чтобы остановить его мгновенно, изучите, что происходит. В дополнение к времени до остановки фемтосекундные лазеры способны просверливать крошечные отверстия в металле диаметром до 200 нанометров (2/10 000 миллиметра). Это означает, что ультракороткий импульсный свет, сжатый и запертый внутри за короткий промежуток времени, достигает удивительного эффекта сверхвысокой мощности и не наносит дополнительного ущерба окружающим. Кроме того, импульсный свет фемтосекундного лазера позволяет получать чрезвычайно четкие стереоскопические изображения объектов. Стереоскопическое изображение очень полезно в медицинской диагностике, что открывает новую область исследований, называемую оптической интерференционной томографией. Это стереоскопическое изображение живой ткани и живых клеток, полученное с помощью фемтосекундного лазера. Например, очень короткий импульс света направлен на кожу, импульсный свет отражается от поверхности кожи, и часть импульсного света вводится в кожу. Внутренняя часть кожи состоит из многих слоев, и импульсный свет, попадающий на кожу, отражается обратно в виде небольшого импульсного света, и внутреннюю структуру кожи можно узнать по эхо-сигналам этих различных импульсных лучей в отраженном свете.
Кроме того, эта технология очень полезна в офтальмологии, позволяя делать стереоскопические изображения сетчатки глубоко в глазу. Это позволяет врачам диагностировать, есть ли проблема с их тканями. Этот вид обследования не ограничивается глазами. Если лазер направить в тело с помощью оптического волокна, то можно будет исследовать все ткани различных органов в организме, и, возможно, даже удастся проверить, не стало ли оно в будущем раком.

Реализация сверхточных часов
Ученые считают, что еслифемтосекундный лазерчасы сделаны с использованием видимого света, они смогут измерять время точнее, чем атомные часы, и будут самыми точными часами в мире на долгие годы. Если часы точны, то точность GPS (глобальной системы позиционирования), используемой для автомобильной навигации, также значительно повышается.
Почему видимый свет может сделать точные часы? Все часы и часы неотделимы от движения маятника и шестеренки, и за счет колебаний маятника с точной частотой колебаний шестеренка вращается за секунды, и точные часы не исключение. Поэтому, чтобы сделать часы более точными, необходимо использовать маятник с более высокой частотой колебаний. Кварцевые часы (часы, которые колеблются с помощью кристаллов вместо маятников) более точны, чем маятниковые, потому что кварцевый резонатор колеблется чаще в секунду.
Цезиевые атомные часы, которые сейчас являются эталоном времени, колеблются с частотой около 9,2 гигагерца (приставка к международной единице гига, 1 гига = 10^9). Атомные часы используют собственную частоту колебаний атомов цезия для замены маятника микроволнами с той же частотой колебаний, а их точность составляет всего 1 секунду на десятки миллионов лет. Напротив, частота колебаний видимого света в 100 000–1 000 000 раз выше, чем у микроволн, то есть используется энергия видимого света для создания точных часов, которые в миллионы раз точнее атомных часов. Сейчас в лаборатории успешно построены самые точные в мире часы, использующие видимый свет.
С помощью этих точных часов можно проверить теорию относительности Эйнштейна. Мы поместили одни из этих точных часов в лабораторию, а другие в кабинет внизу, думая о том, что может произойти через час или два, результат был таким, как предсказывала теория относительности Эйнштейна, из-за двух разных «гравитационных полей». Между этажами часы больше не показывают одно и то же время, а часы внизу идут медленнее, чем часы наверху. С более точными часами, возможно, даже время на запястье и лодыжке в тот день было бы другим. Мы можем просто испытать магию относительности с помощью точных часов.

Технология замедления скорости света
В 1999 году профессор Райнер Хоу из Университета Хаббарда в США успешно замедлил свет до 17 метров в секунду, скорость, которую может догнать автомобиль, а затем успешно замедлил скорость до уровня, который может догнать даже велосипед. Этот эксперимент включает самые передовые исследования в области физики, и в этой статье представлены только два ключа к успеху эксперимента. Один из них заключается в создании «облака» атомов натрия при чрезвычайно низкой температуре, близкой к абсолютному нулю (-273,15°C), в особом газовом состоянии, называемом конденсатом Бозе-Эйнштейна. Другой — лазер, который модулирует частоту колебаний (лазер для управления) и облучает им облако атомов натрия, и в результате происходят невероятные вещи.
Ученые сначала используют контрольный лазер, чтобы сжать импульсный свет в облаке атомов, и скорость его чрезвычайно замедляется. В это время управляющий лазер выключается, импульсный свет исчезает, а информация, которую несет импульсный свет, сохраняется в облаке атомов. . Затем его облучают контрольным лазером, импульсный свет восстанавливается, и он выходит из облака атомов. Таким образом, первоначально сжатый импульс снова растягивается, и скорость восстанавливается. Весь процесс ввода импульсной световой информации в атомное облако подобен чтению, сохранению и сбросу в компьютере, поэтому эта технология полезна для реализации квантовых компьютеров.

Мир от «фемтосекунды» к «аттосекунде»
Фемтосекундынаходятся за пределами нашего воображения. Теперь мы вернулись в мир аттосекунд, которые короче фемтосекунд. A — это сокращение от префикса SI atto. 1 аттосекунда = 1 × 10^-18 секунд = одна тысячная фемтосекунды. Аттосекундные импульсы не могут быть созданы с помощью видимого света, потому что для укорачивания импульса необходимо использовать более короткие длины волн света. Например, в случае создания импульсов с красным видимым светом невозможно сделать импульсы короче этой длины волны. Видимый свет имеет предел около 2 фемтосекунд, для которых аттосекундные импульсы используют рентгеновские или гамма-лучи с более короткой длиной волны. Что будет открыто в будущем с помощью аттосекундных рентгеновских импульсов, пока неясно. Например, использование аттосекундных вспышек для визуализации биомолекул позволяет нам наблюдать за их активностью в очень короткие промежутки времени и, возможно, определять структуру биомолекул.