Femtoseconde laser

A femtoseconde laseris een "ultrashort pulse light"-genererend apparaat dat slechts gedurende een ultrakorte tijd van ongeveer één gigaseconde licht uitzendt. Fei is de afkorting van Femto, het voorvoegsel van het International System of Units, en 1 femtoseconde = 1×10^-15 seconden. Het zogenaamde pulserende licht straalt slechts een ogenblik licht uit. De lichtgevende tijd van de flits van een camera is ongeveer 1 microseconde, dus het ultrakorte pulslicht van femtoseconde straalt slechts ongeveer een miljardste van zijn tijd uit. Zoals we allemaal weten, is de lichtsnelheid 300.000 kilometer per seconde (7 en een halve cirkel rond de aarde in 1 seconde) met een ongeëvenaarde snelheid, maar in 1 femtoseconde gaat zelfs licht slechts 0,3 micron vooruit.

Vaak zijn we met flitsfotografie in staat om de momentane toestand van een bewegend object uit te schakelen. Evenzo, als een femtoseconde laser wordt geflitst, is het mogelijk om elk fragment van de chemische reactie te zien, zelfs als deze met een gewelddadige snelheid verloopt. Daartoe kunnen femtosecondelasers worden gebruikt om het mysterie van chemische reacties te bestuderen.
Algemene chemische reacties worden uitgevoerd na het passeren van een tussentoestand met hoge energie, de zogenaamde "geactiveerde toestand". Het bestaan ​​van een geactiveerde toestand werd theoretisch voorspeld door chemicus Arrhenius al in 1889, maar het kan niet direct worden waargenomen omdat het maar heel kort bestaat. Maar het bestaan ​​ervan werd eind jaren tachtig direct aangetoond door femtosecondelasers, een voorbeeld van hoe chemische reacties kunnen worden gelokaliseerd met femtosecondelasers. Het cyclopentanonmolecuul wordt bijvoorbeeld door de geactiveerde toestand ontleed in koolmonoxide en 2 ethyleenmoleculen.
Femtosecondelasers worden nu ook gebruikt in een groot aantal gebieden, zoals natuurkunde, scheikunde, biowetenschappen, geneeskunde en techniek, vooral in licht en elektronica. Dit komt omdat de intensiteit van licht een grote hoeveelheid informatie van de ene plaats naar de andere kan overbrengen met bijna geen verlies, wat de optische communicatie verder versnelt. Op het gebied van kernfysica hebben femtoseconde lasers een enorme impact gehad. Omdat gepulseerd licht een zeer sterk elektrisch veld heeft, is het mogelijk om elektronen binnen 1 femtoseconde te versnellen tot bijna de lichtsnelheid, zodat het kan worden gebruikt als een "versneller" voor het versnellen van elektronen.

Toepassing in de geneeskunde
Zoals hierboven vermeld, is in de femtoseconde wereld zelfs licht bevroren, zodat het niet ver kan reizen, maar zelfs op deze tijdschaal bewegen atomen, moleculen in materie en elektronen in computerchips nog steeds in circuits. Als de femtoseconde puls kan worden gebruikt om deze onmiddellijk te stoppen, bestudeer dan wat er gebeurt. Naast de knipperende tijd om te stoppen, kunnen femtoseconde-lasers kleine gaatjes in metaal boren met een diameter tot 200 nanometer (2/10.000ste van een millimeter). Dit betekent dat het ultrakort gepulseerde licht dat in korte tijd wordt gecomprimeerd en opgesloten, een verbazingwekkend effect van ultrahoge output bereikt en geen extra schade aan de omgeving veroorzaakt. Bovendien kan het gepulseerde licht van de femtoseconde laser extreem fijne stereoscopische beelden van objecten maken. Stereoscopische beeldvorming is zeer nuttig bij medische diagnoses, waardoor een nieuw onderzoeksgebied wordt geopend dat optische-interferentietomografie wordt genoemd. Dit is een stereoscopisch beeld van levend weefsel en levende cellen, genomen met een femtoseconde laser. Er wordt bijvoorbeeld een zeer korte lichtpuls op de huid gericht, het gepulseerde licht wordt gereflecteerd door het huidoppervlak en een deel van het gepulseerde licht wordt in de huid geïnjecteerd. De binnenkant van de huid bestaat uit vele lagen en het gepulseerde licht dat de huid binnenkomt, wordt teruggekaatst als een klein gepulseerd licht, en de interne structuur van de huid kan worden herkend aan de echo's van deze verschillende gepulseerde licht in het gereflecteerde licht.
Bovendien is deze technologie van groot nut in de oogheelkunde, omdat ze in staat is stereoscopische beelden te maken van het netvlies diep in het oog. Hierdoor kunnen artsen diagnosticeren of er een probleem is met hun weefsel. Dit type onderzoek is niet beperkt tot de ogen. Als een laser met een optische vezel het lichaam in wordt gestuurd, is het mogelijk om alle weefsels van verschillende organen in het lichaam te onderzoeken, en misschien zelfs om te controleren of het in de toekomst kanker is geworden.

Een ultraprecieze klok implementeren
Wetenschappers zijn van mening dat als eenfemtoseconde laserklok is gemaakt met zichtbaar licht, zal de tijd nauwkeuriger kunnen meten dan atoomklokken, en het zal de komende jaren de meest nauwkeurige klok ter wereld zijn. Als de klok nauwkeurig is, wordt ook de nauwkeurigheid van de GPS (Global Positioning System) die wordt gebruikt voor autonavigatie aanzienlijk verbeterd.
Waarom kan zichtbaar licht een nauwkeurige klok maken? Alle klokken en klokken zijn onlosmakelijk verbonden met de beweging van een slinger en een tandwiel, en door de oscillatie van de slinger met een precieze trillingsfrequentie, draait het tandwiel secondenlang, en een nauwkeurige klok is geen uitzondering. Om een ​​nauwkeurigere klok te maken, is het daarom noodzakelijk om een ​​slinger met een hogere trillingsfrequentie te gebruiken. Kwartsklokken (klokken die oscilleren met kristallen in plaats van slingers) zijn nauwkeuriger dan slingerklokken omdat de kwartsresonator meer keer per seconde oscilleert.
De cesium-atoomklok, die nu de tijdstandaard is, oscilleert met een frequentie van ongeveer 9,2 gigahertz (het voorvoegsel van de internationale eenheid giga, 1 giga = 10^9). De atoomklok gebruikt de natuurlijke oscillatiefrequentie van cesiumatomen om de slinger te vervangen door microgolven met dezelfde oscillatiefrequentie, en de nauwkeurigheid is slechts 1 seconde in tientallen miljoenen jaren. Daarentegen heeft zichtbaar licht een oscillatiefrequentie die 100.000 tot 1.000.000 keer hoger is dan die van microgolven, dat wil zeggen dat het zichtbare lichtenergie gebruikt om een ​​precisieklok te creëren die miljoenen keren nauwkeuriger is dan atoomklokken. 'S Werelds meest nauwkeurige klok die gebruikmaakt van zichtbaar licht is nu met succes gebouwd in het laboratorium.
Met behulp van deze nauwkeurige klok kan de relativiteitstheorie van Einstein worden geverifieerd. We hebben een van deze nauwkeurige klokken in het laboratorium geplaatst en de andere in het kantoor beneden, rekening houdend met wat er zou kunnen gebeuren, na een uur of twee, was het resultaat zoals voorspeld door de relativiteitstheorie van Einstein, vanwege de twee. Er zijn verschillende "zwaartekrachtvelden " tussen de verdiepingen wijzen de twee klokken niet meer op dezelfde tijd, en de klok beneden loopt langzamer dan die boven. Met een nauwkeurigere klok zou misschien zelfs de tijd op de pols en enkel die dag anders zijn. We kunnen eenvoudig de magie van relativiteit ervaren met behulp van nauwkeurige klokken.

Lichtsnelheid vertragende technologie
In 1999 heeft professor Rainer Howe van de Hubbard University in de Verenigde Staten het licht met succes vertraagd tot 17 meter per seconde, een snelheid die een auto kan inhalen, en vervolgens met succes vertraagd tot een niveau dat zelfs een fiets kan inhalen. Dit experiment omvat het meest geavanceerde onderzoek in de natuurkunde, en dit artikel introduceert slechts twee sleutels tot het succes van het experiment. Een daarvan is het bouwen van een "wolk" van natriumatomen bij een extreem lage temperatuur dichtbij het absolute nulpunt (-273,15 °C), een speciale gastoestand die Bose-Einstein-condensaat wordt genoemd. De andere is een laser die de trillingsfrequentie moduleert (de laser voor controle) en er een wolk van natriumatomen mee bestraalt, met als resultaat dat er ongelooflijke dingen gebeuren.
Wetenschappers gebruiken eerst de controlelaser om het gepulseerde licht in de wolk van atomen te comprimeren, en de snelheid wordt extreem vertraagd. Op dit moment wordt de controlelaser uitgeschakeld, verdwijnt het gepulseerde licht en wordt de informatie die door het gepulseerde licht wordt gedragen, opgeslagen in de wolk van atomen. . Daarna wordt het bestraald met een controlelaser, het gepulseerde licht wordt teruggewonnen en het gaat uit de wolk van atomen. Dus de oorspronkelijk gecomprimeerde puls wordt weer opgerekt en de snelheid wordt hersteld. Het hele proces van het invoeren van gepulseerde lichtinformatie in een atomaire wolk is vergelijkbaar met lezen, opslaan en resetten in een computer, dus deze technologie is nuttig voor de realisatie van kwantumcomputers.

De wereld van "femtoseconde" naar "attoseconde"
Femtosecondengaan onze verbeelding te boven. Nu zijn we terug in de wereld van attoseconden, die korter zijn dan femtoseconden. A is een afkorting voor het SI-voorvoegsel atto. 1 attoseconde = 1 × 10^-18 seconden = een duizendste van een femtoseconde. Attoseconde-pulsen kunnen niet worden gemaakt met zichtbaar licht, omdat er kortere golflengten van licht moeten worden gebruikt om de puls te verkorten. Bij het maken van pulsen met rood zichtbaar licht is het bijvoorbeeld onmogelijk om pulsen korter dan die golflengte te maken. Zichtbaar licht heeft een limiet van ongeveer 2 femtoseconden, waarvoor attosecondepulsen röntgenstralen met een kortere golflengte of gammastralen gebruiken. Wat er in de toekomst zal worden ontdekt met behulp van attoseconde röntgenpulsen is onduidelijk. Het gebruik van attoseconde flitsen om biomoleculen te visualiseren, stelt ons bijvoorbeeld in staat om hun activiteit op extreem korte tijdschalen te observeren en misschien de structuur van biomoleculen te lokaliseren.