De toepassing van femtosecondelasers

Femtosecondelasers zijn "ultrakort gepulseerd licht" genererende apparaten die licht uitzenden gedurende een ultrakorte periode van slechts ongeveer één gigabit van een seconde. Femto is de afkorting van het internationale systeem van eenheden femto (femto), 1 femtoseconde=1 × 10^-15 seconden. Het zogenaamde gepulseerde licht komt pas in een oogwenk vrij om licht af te geven. De lichtuitstralende tijd van de flitser van de camera is ongeveer 1 microseconde, dus de ultrakorte puls van femtoseconde licht is slechts ongeveer een miljardste van zijn tijd om licht vrij te geven. Zoals we allemaal weten, is de lichtsnelheid 300,000 kilometer per seconde (7 en een halve week rond de aarde in 1 seconde), een ongeëvenaarde snelheid, maar gedurende 1 femtoseconde is zelfs licht slechts 0,3 micron vooruit.
Gewoonlijk gebruiken we flitsfotografie om de momentane toestand van het bewegende object te kunnen knippen. Evenzo is het met een femtoseconde laserflits mogelijk om elk fragment van een chemische reactie te zien die met een gewelddadige snelheid plaatsvindt. Om deze reden kunnen femtosecondelasers worden gebruikt om het mysterie van chemische reacties te bestuderen.
Chemische reacties vinden over het algemeen plaats na een tussentoestand van hoge energie, de zogenaamde "geactiveerde toestand". Het bestaan ​​van de activeringstoestand werd theoretisch voorspeld door de chemicus Arrhenius in 1889, maar kon niet direct worden waargenomen omdat het in zeer korte tijd bestond. Het bestaan ​​​​ervan werd echter direct aangetoond door een femtosecondelaser eind jaren tachtig, en dit is een voorbeeld van een chemische reactie geïdentificeerd met een femtosecondelaser. Bijvoorbeeld de ontleding van een cyclopentanonmolecuul in koolmonoxide en twee ethyleenmoleculen in geactiveerde toestand.
Tegenwoordig worden femtosecondelasers ook gebruikt in een breed scala van gebieden zoals natuurkunde, scheikunde, levenswetenschappen, geneeskunde, techniek, enz. Met name licht en elektronica gaan hand in hand en zullen naar verwachting allerlei nieuwe mogelijkheden openen in op het gebied van communicatie of computers en energie. Dit komt omdat de intensiteit van het licht een grote hoeveelheid informatie bijna zonder verlies van de ene plaats naar de andere kan overbrengen, waardoor optische communicatie nog sneller gaat. Op het gebied van kernfysica hebben femtosecondelasers een enorme impact gehad. Omdat gepulseerd licht een zeer sterk elektrisch veld heeft, is het mogelijk om elektronen te versnellen tot bijna de lichtsnelheid in 1 femtoseconde, en kan daarom worden gebruikt als een "gaspedaal" om elektronen te versnellen.
Medische toepassingen
Zoals hierboven vermeld, is de wereld in femtoseconden zo bevroren dat zelfs licht niet ver kan bewegen, maar zelfs op deze tijdschaal bewegen atomen en moleculen in materie en elektronen in circuits in computerchips nog steeds. Als je femtosecondepulsen gebruikt, kun je het onmiddellijk laten stoppen en bestuderen wat er gebeurt. Naast flitsen die de tijd stoppen, zijn femtoseconde lasers in staat om microscopisch kleine gaten in metaal te boren tot een diameter van 200 nanometer (tweeduizendste van een millimeter). Dit betekent dat de ultrakorte lichtpulsen die binnen korte tijd worden gecomprimeerd en opgesloten, een verbazingwekkend hoge output krijgen zonder extra schade aan de omgeving. Bovendien kan het gepulseerde licht van de femtosecondelaser extreem fijne stereobeelden van het onderwerp maken. Stereoscopische fotografie is van groot nut bij medische diagnose, waardoor een nieuw onderzoeksgebied wordt geopend dat optische interferentietomografie wordt genoemd. Dit is het gebruik van femtosecondelasers om stereoscopische beelden van levend weefsel en cellen te maken. Er wordt bijvoorbeeld een zeer korte lichtpuls op de huid gericht en het gepulseerde licht wordt gereflecteerd op het huidoppervlak, waarbij een deel van het gepulseerde licht in de huid wordt gericht. De binnenkant van de huid bestaat uit vele lagen, en het gepulseerde licht dat in de huid wordt geschoten, wordt teruggekaatst als kleine pulsen, en aan de hand van de echo's van deze gevormde gepulseerde lichten in het gereflecteerde licht, is het mogelijk om de interne structuur van de huid te leren kennen. de huid.
Bovendien heeft deze technologie een groot nut in de oogheelkunde, waar het mogelijk is om stereoscopische beelden te maken van het netvlies diep in het oog. Artsen kunnen zo vaststellen of er een probleem is met de weefsels. Dit onderzoek beperkt zich niet tot de ogen, maar als de laser met glasvezel het lichaam in wordt gestuurd, kunnen alle weefsels van verschillende organen in het lichaam worden onderzocht en kan in de toekomst misschien zelfs worden gecontroleerd of ze kankerachtig.
Bereik een ultraprecieze klok
Wetenschappers geloven dat als een klok met een femtosecondelaser wordt gemaakt met behulp van zichtbaar licht, deze de tijd nauwkeuriger kan meten dan een atoomklok en de komende jaren zal dienen als 's werelds meest nauwkeurige klok. Als de klok nauwkeurig is, verbetert dit ook aanzienlijk de nauwkeurigheid van het GPS (Global Positioning System) dat wordt gebruikt voor autonavigatie.
Waarom kan zichtbaar licht nauwkeurige klokken maken? Alle klokken en horloges hebben geen slinger en tandwielen voor beweging, door de zwaai van de slinger met een precieze trillingsfrequentie, zodat de tandwielen seconden draaien, nauwkeurige klokken zijn geen uitzondering. Om nauwkeurigere klokken te maken, is het daarom noodzakelijk om een ​​slinger met een hogere trillingsfrequentie te gebruiken. Kwartsklokken (klokken met kristaltrillingen in plaats van slingers) zijn nauwkeuriger dan slingerklokken, en dat komt omdat kwartsresonatoren meer keer per seconde oscilleren.
De oscillatiefrequentie van de cesium-atoomklok, die nu de standaard van tijd is, is ongeveer 9,2 gigahertz (het woord hoofd van de internationale eenheid giga, 1 gig=10^9). Atoomklok is het gebruik van cesiumatomen inherente frequentie van oscillatie, met zijn oscillatiefrequentie consistent met de magnetron in plaats van de slinger, de nauwkeurigheid is tientallen miljoenen jaren slechts 1 seconde verschil. Zichtbaar licht daarentegen heeft een oscillatiefrequentie die 100,000 tot 1 miljoen keer hoger is dan de microgolfoscillatiefrequentie, dat wil zeggen dat zichtbaar licht kan worden gebruikt om precisieklokken te maken met een miljoen keer hogere nauwkeurigheid dan atoomklokken. Nu is 's werelds meest nauwkeurige klok met zichtbaar licht met succes gebouwd in het laboratorium.
Met behulp van deze nauwkeurige klok is het mogelijk om de relativiteitstheorie van Einstein te verifiëren. We zullen zo'n nauwkeurige klok zijn in het laboratorium, de ander in het kantoor beneden, de mogelijke situatie overwegen, na een of twee uur, de resultaten zoals voorspeld door de relativiteitstheorie van Einstein, omdat de twee lagen een verschillend "zwaartekrachtveld" hebben tussen de twee klokken wijzen niet meer dezelfde tijd aan, de klok beneden dan de klok boven De klok beneden loopt langzamer dan de klok boven. Met een nauwkeurigere klok zou zelfs het horloge om de pols en de enkel die dag misschien niet dezelfde tijd hebben. We kunnen eenvoudig de fascinatie van relativiteit ervaren met behulp van nauwkeurige klokken.
Licht vertragende technologie
In 1999 slaagde professor Rainer Howe van de Hubbart University in de Verenigde Staten erin het licht af te remmen tot 17 meter per seconde, een snelheid die een auto kon inhalen, en later zelfs een snelheid die zelfs een fiets kon inhalen. Dit experiment omvat onderzoek op het gebied van de voorhoede van de natuurkunde, en in dit document worden slechts twee sleutels tot het succes van het experiment gepresenteerd. Een daarvan is de constructie van een "wolk" van natriumatomen bij extreem lage temperaturen dicht bij het absolute nulpunt (-273.15 graden), een speciale gastoestand die bekend staat als een Bose-Einstein-condensaat. De andere is een laser (controlelaser) die de frequentie van trillingen reguleert en daarmee de wolk natriumatomen bestraalt, met als resultaat dat er iets ongelooflijks gebeurt.
Allereerst werd met behulp van de controlelaser het gepulste licht in de atomenwolk samengeperst en tot een extreme snelheid afgeremd. Vervolgens wordt de controlelaser opnieuw geschenen en wordt het gepulseerde licht hersteld en komt het uit de atoomwolk. De gecomprimeerde pulsen worden dan weer verbreed en de snelheid wordt hersteld. Het hele proces van het invoeren van de gepulseerde lichtinformatie in de atoomwolk is vergelijkbaar met lezen, opslaan en resetten in een computer, dus deze techniek is handig voor de implementatie van kwantumcomputers.
Van "femtoseconde" naar "attoseconde" wereld
Femtoseconden gaan ons voorstellingsvermogen al te boven. Nu wagen we ons in de wereld van "attosecond", wat zelfs korter is dan femtosecond. A is de afkorting van het International System of Units (SI) woord atto. 1 attoseconde=1 x 10^-18 seconden=1 duizendste van een femtoseconde. Een attoseconde-puls kan niet worden gemaakt met zichtbaar licht omdat kortere pulsen moeten worden gemaakt met kortere golflengten van licht. Als je bijvoorbeeld een puls wilt maken met rood zichtbaar licht, is het niet mogelijk om een ​​puls te maken met een kortere golflengte dan dat. Zichtbaar licht is de limiet van ongeveer 2 femtoseconden, en daarom worden de attosecondepulsen gemaakt met kortere golflengten van röntgenstralen of gammastralen. Het is niet duidelijk wat er in de toekomst kan worden gevonden met behulp van een attoseconde röntgenpuls. Door bijvoorbeeld een interflits van een attoseconde te gebruiken om een ​​biomolecuul te visualiseren, is het mogelijk om zijn activiteit op een zeer korte tijdschaal te observeren en misschien de structuur van het biomolecuul te identificeren.