Femtosekund laser

A femtosekundlaserär en "ultrashort pulse light"-genererande enhet som avger ljus endast under en ultrakort tid på cirka en gigasekund. Fei är förkortningen av Femto, prefixet för International System of Units, och 1 femtosekund = 1×10^-15 sekunder. Det så kallade pulserande ljuset avger ljus endast för ett ögonblick. Ljusemitteringstiden för blixten i en kamera är cirka 1 mikrosekund, så det ultrakorta pulsljuset på femtosekund avger bara ljus under cirka en miljarddel av sin tid. Som vi alla vet är ljusets hastighet 300 000 kilometer per sekund (7 och en halv cirklar runt jorden på 1 sekund) med en oöverträffad hastighet, men på 1 femtosekund går även ljuset bara framåt med 0,3 mikron.

Med blixtfotografering kan vi ofta skära bort det tillfälliga tillståndet hos ett rörligt föremål. På samma sätt, om en femtosekundlaser blinkar, är det möjligt att se varje fragment av den kemiska reaktionen även när den fortsätter med en våldsam hastighet. För detta ändamål kan femtosekundlasrar användas för att studera mysteriet med kemiska reaktioner.
Allmänna kemiska reaktioner utförs efter att ha passerat ett mellantillstånd med hög energi, det så kallade "aktiverade tillståndet". Förekomsten av ett aktiverat tillstånd förutspåddes teoretiskt av kemisten Arrhenius så tidigt som 1889, men det kan inte direkt observeras eftersom det existerar under en mycket kort tid. Men dess existens visades direkt av femtosekundlasrar i slutet av 1980-talet, ett exempel på hur kemiska reaktioner kan fastställas med femtosekundslasrar. Till exempel sönderdelas cyklopentanonmolekylen till kolmonoxid och 2 etylenmolekyler i det aktiverade tillståndet.
Femtosekundlasrar används nu också inom ett brett spektrum av områden som fysik, kemi, biovetenskap, medicin och teknik, särskilt inom ljus och elektronik. Detta beror på att ljusets intensitet kan överföra en stor mängd information från en plats till en annan nästan utan förlust, vilket ytterligare påskyndar den optiska kommunikationen. Inom kärnfysikområdet har femtosekundlasrar haft en enorm inverkan. Eftersom pulsat ljus har ett mycket starkt elektriskt fält är det möjligt att accelerera elektroner till nära ljusets hastighet inom 1 femtosekund, så det kan användas som en "accelerator" för att accelerera elektroner.

Tillämpning inom medicin
Som nämnts ovan, i femtosekundvärlden är till och med ljus fruset så att det inte kan färdas särskilt långt, men även i denna tidsskala rör sig fortfarande atomer, molekyler i materien och elektroner inuti datorchips i kretsar. Om femtosekundpulsen kan användas för att stoppa den omedelbart, studera vad som händer. Utöver blinktiden för att sluta, kan femtosekundlasrar borra små hål i metall så små som 200 nanometer (2/10 000:e av en millimeter) i diameter. Detta innebär att det ultrakorta pulserande ljuset som komprimeras och låses inuti på kort tid uppnår en fantastisk effekt av ultrahög effekt och inte orsakar ytterligare skador på omgivningen. Dessutom kan femtosekundlaserns pulserande ljus ta extremt fina stereoskopiska bilder av föremål. Stereoskopisk avbildning är mycket användbar vid medicinsk diagnos, vilket öppnar upp ett nytt forskningsfält som kallas optisk interferenstomografi. Detta är en stereoskopisk bild av levande vävnad och levande celler tagen med en femtosekundlaser. Till exempel riktas en mycket kort ljuspuls mot huden, det pulserade ljuset reflekteras från hudens yta och en del av det pulserade ljuset injiceras i huden. Insidan av huden är sammansatt av många lager, och det pulserade ljuset som kommer in i huden studsar tillbaka som ett litet pulserat ljus, och hudens inre struktur kan vara känd från ekon av dessa olika pulserade ljus i det reflekterade ljuset.
Dessutom har denna teknik stor användbarhet inom oftalmologi, som kan ta stereoskopiska bilder av näthinnan djupt i ögat. Detta gör att läkare kan diagnostisera om det finns ett problem med deras vävnad. Denna typ av undersökning är inte begränsad till ögonen. Om en laser skickas in i kroppen med en optisk fiber går det att undersöka alla vävnader av olika organ i kroppen, och det kan till och med gå att kontrollera om det har blivit cancer i framtiden.

Implementering av en ultraprecis klocka
Forskare tror att om enfemtosekundlaserKlockan är gjord med hjälp av synligt ljus, den kommer att kunna mäta tiden mer exakt än atomur, och den kommer att vara världens mest exakta klocka i många år framöver. Om klockan är korrekt, är noggrannheten för GPS (Global Positioning System) som används för bilnavigering också avsevärt förbättrad.
Varför kan synligt ljus skapa en exakt klocka? Alla klockor och klockor är oskiljaktiga från rörelsen av en pendel och en växel, och genom pendelns oscillation med en exakt vibrationsfrekvens, roterar kugghjulet i sekunder, och en exakt klocka är inget undantag. Därför, för att göra en mer exakt klocka, är det nödvändigt att använda en pendel med högre vibrationsfrekvens. Kvartsklockor (klockor som oscillerar med kristaller istället för pendlar) är mer exakta än pendelklockor eftersom kvartsresonatorn svänger fler gånger per sekund.
Cesiumatomklockan, som nu är tidsstandarden, svänger med en frekvens på cirka 9,2 gigahertz (prefixet för den internationella enheten giga, 1 giga = 10^9). Atomklockan använder den naturliga svängningsfrekvensen hos cesiumatomer för att ersätta pendeln med mikrovågor med samma svängningsfrekvens, och dess noggrannhet är bara 1 sekund på tiotals miljoner år. Däremot har synligt ljus en svängningsfrekvens som är 100 000 till 1 000 000 gånger högre än den för mikrovågor, det vill säga att använda energi från synligt ljus för att skapa en precisionsklocka som är miljontals gånger mer exakt än atomklockor. Världens mest exakta klocka som använder synligt ljus har nu framgångsrikt byggts i laboratoriet.
Med hjälp av denna exakta klocka kan Einsteins relativitetsteori verifieras. Vi satte en av dessa exakta klockor i laboratoriet och den andra i kontoret på nedervåningen, med tanke på vad som kan hända, efter en timme eller två, resultatet var som förutspåtts av Einsteins relativitetsteori, på grund av de två Det finns olika "gravitationsfält " Mellan våningarna pekar de två klockorna inte längre på samma tid, och klockan på nedervåningen går långsammare än den på övervåningen. Med en mer exakt klocka kanske till och med tiden på handleden och fotleden skulle vara annorlunda den dagen. Vi kan helt enkelt uppleva relativitetens magi med hjälp av exakta klockor.

Teknik för långsammare ljushastighet
1999 bromsade professor Rainer Howe vid Hubbard University i USA framgångsrikt ljuset till 17 meter per sekund, en hastighet som en bil kan hinna med, och sedan framgångsrikt saktade ner till en nivå som även en cykel kan hinna med. Detta experiment involverar den mest banbrytande forskningen inom fysik, och den här artikeln introducerar bara två nycklar till experimentets framgång. En är att bygga ett "moln" av natriumatomer vid en extremt låg temperatur nära absoluta nollpunkten (-273,15°C), ett speciellt gastillstånd som kallas Bose-Einstein-kondensat. Den andra är en laser som modulerar vibrationsfrekvensen (lasern för kontroll) och bestrålar ett moln av natriumatomer med den, och som ett resultat händer otroliga saker.
Forskare använder först kontrolllasern för att komprimera det pulserade ljuset i molnet av atomer, och hastigheten saktas ner extremt. Vid denna tidpunkt stängs kontrolllasern av, det pulserade ljuset försvinner och informationen som bärs på det pulserade ljuset lagras i molnet av atomer. . Sedan bestrålas den med en kontrolllaser, det pulserade ljuset återvinns och det går ut ur molnet av atomer. Så den ursprungligen komprimerade pulsen sträcks ut igen och hastigheten återställs. Hela processen att mata in pulserad ljusinformation i ett atommoln liknar att läsa, lagra och återställa i en dator, så denna teknik är användbar för realisering av kvantdatorer.

Världen från "femtosecond" till "attosecond"
Femtosekunderär bortom vår fantasi. Nu är vi tillbaka i världen av attosekunder, som är kortare än femtosekunder. A är en förkortning för SI-prefixet atto. 1 attoseund = 1 × 10^-18 sekunder = en tusendels femtosekund. Attosekundpulser kan inte göras med synligt ljus eftersom kortare våglängder av ljus måste användas för att förkorta pulsen. Till exempel, när det gäller att göra pulser med rött synligt ljus, är det omöjligt att göra pulser kortare än den våglängden. Synligt ljus har en gräns på cirka 2 femtosekunder, för vilka attosekundpulser använder kortare våglängdsröntgen eller gammastrålar. Vad som kommer att upptäckas i framtiden med hjälp av attosecond röntgenpulser är oklart. Till exempel gör användningen av attosekundblixtar för att visualisera biomolekyler som gör det möjligt för oss att observera deras aktivitet på extremt korta tidsskalor, och kanske precisera biomolekylernas struktur.