Femtosekund laser

A femtosekund laserer en "ultrashort pulse light"-genererende enhet som bare sender ut lys i en ultrakort tid på omtrent ett gigasekund. Fei er forkortelsen for Femto, prefikset til International System of Units, og 1 femtosekund = 1×10^-15 sekunder. Det såkalte pulserende lyset sender ut lys bare et øyeblikk. Lysemitteringstiden til blitsen til et kamera er omtrent 1 mikrosekund, så det ultrakorte pulslyset på femtosekund sender bare ut lys i omtrent en milliarddel av tiden. Som vi alle vet er lysets hastighet 300 000 kilometer per sekund (7 og en halv sirkler rundt jorden på 1 sekund) med en hastighet uten sidestykke, men på 1 femtosekund går selv lyset bare 0,3 mikron videre.

Med blitsfotografering er vi ofte i stand til å kutte ut den øyeblikkelige tilstanden til et objekt i bevegelse. På samme måte, hvis en femtosekundlaser blinker, er det mulig å se hvert fragment av den kjemiske reaksjonen selv når den fortsetter med en voldsom hastighet. Til dette formål kan femtosekundlasere brukes til å studere mysteriet med kjemiske reaksjoner.
Generelle kjemiske reaksjoner utføres etter å ha gått gjennom en mellomtilstand med høy energi, den såkalte "aktiverte tilstanden". Eksistensen av en aktivert tilstand ble teoretisk forutsagt av kjemiker Arrhenius så tidlig som i 1889, men den kan ikke observeres direkte fordi den eksisterer i svært kort tid. Men eksistensen ble direkte demonstrert av femtosekundlasere på slutten av 1980-tallet, et eksempel på hvordan kjemiske reaksjoner kan identifiseres med femtosekundlasere. For eksempel blir cyklopentanonmolekylet dekomponert til karbonmonoksid og 2 etylenmolekyler av den aktiverte tilstanden.
Femtosekundlasere brukes nå også innen et bredt spekter av felt som fysikk, kjemi, biovitenskap, medisin og ingeniørfag, spesielt innen lys og elektronikk. Dette er fordi lysintensiteten kan overføre en stor mengde informasjon fra ett sted til et annet uten nesten noe tap, noe som øker hastigheten på den optiske kommunikasjonen. Innen kjernefysikk har femtosekundlasere gitt en enorm innvirkning. Fordi pulsert lys har et veldig sterkt elektrisk felt, er det mulig å akselerere elektroner til nær lyshastigheten innen 1 femtosekund, så det kan brukes som en "akselerator" for å akselerere elektroner.

Søknad i medisin
Som nevnt ovenfor, i femtosekundverdenen er til og med lys frosset slik at det ikke kan reise veldig langt, men selv på denne tidsskalaen beveger atomer, molekyler i materie og elektroner i databrikker seg fortsatt i kretsløp. Hvis femtosekundpulsen kan brukes til å stoppe den øyeblikkelig, studer hva som skjer. I tillegg til blinkende tid for å stoppe, er femtosekundlasere i stand til å bore små hull i metall så små som 200 nanometer (2/10 000-dels millimeter) i diameter. Dette betyr at det ultrakorte pulserende lyset som komprimeres og låses inne i løpet av kort tid oppnår en utrolig effekt av ultrahøy effekt, og forårsaker ikke ytterligere skade på omgivelsene. Videre kan det pulserende lyset fra femtosekundlaseren ta ekstremt fine stereoskopiske bilder av objekter. Stereoskopisk avbildning er svært nyttig i medisinsk diagnose, og åpner dermed opp et nytt forskningsfelt kalt optisk interferenstomografi. Dette er et stereoskopisk bilde av levende vev og levende celler tatt med femtosekundlaser. For eksempel rettes en veldig kort lyspuls mot huden, det pulserende lyset reflekteres fra overflaten av huden, og en del av det pulserende lyset injiseres inn i huden. Innsiden av huden er sammensatt av mange lag, og det pulserende lyset som kommer inn i huden sprettes tilbake som et lite pulserende lys, og hudens indre struktur kan kjennes fra ekkoene av disse forskjellige pulserende lysene i det reflekterte lyset.
I tillegg har denne teknologien stor nytte i oftalmologi, i stand til å ta stereoskopiske bilder av netthinnen dypt i øyet. Dette lar leger diagnostisere om det er et problem med vevet deres. Denne typen undersøkelse er ikke begrenset til øynene. Hvis en laser sendes inn i kroppen med en optisk fiber, er det mulig å undersøke alt vev av ulike organer i kroppen, og det kan til og med være mulig å sjekke om det har blitt kreft i fremtiden.

Implementering av en ultra-presis klokke
Forskere mener at hvis enfemtosekund laserklokke er laget ved hjelp av synlig lys, den vil kunne måle tiden mer nøyaktig enn atomklokker, og den vil være verdens mest nøyaktige klokke i årene som kommer. Hvis klokken er nøyaktig, er nøyaktigheten til GPS-en (Global Positioning System) som brukes til bilnavigasjon også betydelig forbedret.
Hvorfor kan synlig lys lage en presis klokke? Alle klokker og klokker er uatskillelige fra bevegelsen til en pendel og et tannhjul, og gjennom pendelens oscillasjon med en presis vibrasjonsfrekvens roterer giret i sekunder, og en nøyaktig klokke er intet unntak. Derfor, for å lage en mer nøyaktig klokke, er det nødvendig å bruke en pendel med høyere vibrasjonsfrekvens. Kvartsklokker (klokker som svinger med krystaller i stedet for pendler) er mer nøyaktige enn pendelklokker fordi kvartsresonatoren svinger flere ganger per sekund.
Cesium-atomuret, som nå er tidsstandarden, svinger med en frekvens på omtrent 9,2 gigahertz (prefikset til den internasjonale enheten giga, 1 giga = 10^9). Atomklokken bruker den naturlige oscillasjonsfrekvensen til cesiumatomer for å erstatte pendelen med mikrobølger med samme oscillasjonsfrekvens, og nøyaktigheten er bare 1 sekund på flere titalls millioner år. I kontrast har synlig lys en oscillasjonsfrekvens som er 100 000 til 1 000 000 ganger høyere enn for mikrobølger, det vil si å bruke synlig lysenergi for å lage en presisjonsklokke som er millioner av ganger mer nøyaktig enn atomklokker. Verdens mest nøyaktige klokke som bruker synlig lys, er nå vellykket bygget i laboratoriet.
Ved hjelp av denne nøyaktige klokken kan Einsteins relativitetsteori verifiseres. Vi satte den ene av disse nøyaktige klokkene i laboratoriet og den andre på kontoret i underetasjen, med tanke på hva som kunne skje, etter en time eller to, ble resultatet som forutsagt av Einsteins relativitetsteori, på grunn av de to. Det er forskjellige "gravitasjonsfelter " mellom etasjene peker ikke lenger de to klokkene til samme tid, og klokken nede går saktere enn den ovenpå. Med en mer nøyaktig klokke ville kanskje til og med tiden på håndleddet og ankelen vært annerledes den dagen. Vi kan ganske enkelt oppleve relativitetens magi ved hjelp av nøyaktige klokker.

Teknologi som reduserer lyshastigheten
I 1999 reduserte professor Rainer Howe ved Hubbard-universitetet i USA lyset til 17 meter per sekund, en hastighet som en bil kan hamle opp med, og deretter med suksess bremset ned til et nivå som selv en sykkel kan hamle opp med. Dette eksperimentet involverer den mest banebrytende forskningen innen fysikk, og denne artikkelen introduserer bare to nøkler til eksperimentets suksess. Den ene er å bygge en "sky" av natriumatomer ved en ekstremt lav temperatur nær absolutt null (-273,15°C), en spesiell gasstilstand kalt Bose-Einstein-kondensat. Den andre er en laser som modulerer vibrasjonsfrekvensen (laseren for kontroll) og bestråler en sky av natriumatomer med den, og som et resultat skjer utrolige ting.
Forskere bruker først kontrolllaseren til å komprimere det pulserende lyset i skyen av atomer, og hastigheten reduseres ekstremt. På dette tidspunktet er kontrolllaseren slått av, det pulserende lyset forsvinner, og informasjonen som bæres på det pulserende lyset lagres i skyen av atomer. . Deretter bestråles det med en kontrolllaser, det pulserte lyset gjenvinnes, og det går ut av skyen av atomer. Så den opprinnelig komprimerte pulsen strekkes igjen og hastigheten gjenopprettes. Hele prosessen med å legge inn pulsert lysinformasjon i en atomsky ligner på lesing, lagring og tilbakestilling i en datamaskin, så denne teknologien er nyttig for realisering av kvantedatamaskiner.

Verden fra «femtosecond» til «attosecond»
Femtosekunderer utenfor vår fantasi. Nå er vi tilbake i verden av attosekunder, som er kortere enn femtosekunder. A er en forkortelse for SI-prefikset atto. 1 attosekund = 1 × 10^-18 sekunder = en tusendels femtosekund. Attosekundpulser kan ikke lages med synlig lys fordi kortere bølgelengder av lys må brukes for å forkorte pulsen. For eksempel, i tilfelle av å lage pulser med rødt synlig lys, er det umulig å gjøre pulser kortere enn den bølgelengden. Synlig lys har en grense på rundt 2 femtosekunder, for hvilke attosekundpulser bruker kortere bølgelengde røntgen eller gammastråler. Hva som vil bli oppdaget i fremtiden ved hjelp av attosekunderrøntgenpulser er uklart. For eksempel gjør bruken av attosekundeblitser for å visualisere biomolekyler som gjør det mulig for oss å observere deres aktivitet på ekstremt korte tidsskalaer, og kanskje finne strukturen til biomolekyler.