Novinky z oboru

Femtosekundový laser

2022-01-10

A femtosekundový laserje zařízení generující "ultrakrátké pulzní světlo", které vyzařuje světlo pouze po ultrakrátkou dobu asi jedné gigasekundy. Fei je zkratka Femto, předpony Mezinárodní soustavy jednotek, a 1 femtosekunda = 1×10^-15 sekund. Takzvané pulzní světlo vyzařuje světlo jen na okamžik. Doba vyzařování světla záblesku fotoaparátu je asi 1 mikrosekunda, takže ultrakrátké pulsní světlo femtosekundy vyzařuje světlo jen asi jednu miliardtinu svého času. Jak všichni víme, rychlost světla je 300 000 kilometrů za sekundu (7 a půl kruhů kolem Země za 1 sekundu) při rychlosti, která nemá obdoby, ale za 1 femtosekundu se i světlo posune pouze o 0,3 mikronu.

Často jsme při fotografování s bleskem schopni vystřihnout momentální stav pohybujícího se objektu. Stejně tak, pokud dojde k záblesku femtosekundového laseru, je možné vidět každý fragment chemické reakce, i když probíhá prudkou rychlostí. Za tímto účelem lze femtosekundové lasery využít ke studiu záhad chemických reakcí.
Obecné chemické reakce se provádějí po průchodu přechodným stavem s vysokou energií, tzv. "aktivovaným stavem". Existenci aktivovaného stavu teoreticky předpověděl chemik Arrhenius již v roce 1889, ale nelze jej přímo pozorovat, protože existuje velmi krátkou dobu. Jeho existenci však přímo demonstrovaly femtosekundové lasery na konci 80. let 20. století, příklad toho, jak lze pomocí femtosekundových laserů přesně určit chemické reakce. Například molekula cyklopentanonu se aktivovaným stavem rozloží na oxid uhelnatý a 2 molekuly ethylenu.
Femtosekundové lasery se nyní používají také v celé řadě oborů, jako je fyzika, chemie, vědy o živé přírodě, medicína a inženýrství, zejména ve světle a elektronice. Intenzita světla totiž dokáže přenést velké množství informací z jednoho místa na druhé téměř beze ztrát, což dále urychluje optickou komunikaci. V oblasti jaderné fyziky přinesly femtosekundové lasery obrovský dopad. Protože pulzní světlo má velmi silné elektrické pole, je možné urychlit elektrony téměř na rychlost světla během 1 femtosekundy, takže jej lze použít jako „urychlovač“ pro urychlování elektronů.

Aplikace v lékařství
Jak bylo zmíněno výše, ve femtosekundovém světě je dokonce světlo zamrzlé, takže nemůže cestovat příliš daleko, ale i v tomto časovém měřítku se atomy, molekuly ve hmotě a elektrony uvnitř počítačových čipů stále pohybují v obvodech. Pokud lze femtosekundový puls použít k jeho okamžitému zastavení, zjistěte, co se stane. Kromě doby blikání do zastavení jsou femtosekundové lasery schopny vrtat drobné dírky do kovu o průměru až 200 nanometrů (2/10 000 milimetru). To znamená, že ultrakrátké pulzní světlo, které je stlačeno a uzamčeno uvnitř během krátké doby, dosahuje úžasného efektu ultra vysokého výkonu a nezpůsobuje další poškození okolí. Kromě toho může pulzní světlo femtosekundového laseru pořizovat extrémně jemné stereoskopické obrazy objektů. Stereoskopické zobrazování je velmi užitečné v lékařské diagnostice, čímž otevírá nové pole výzkumu zvané optická interferenční tomografie. Jedná se o stereoskopický snímek živé tkáně a živých buněk pořízený femtosekundovým laserem. Například velmi krátký puls světla je zaměřen na kůži, pulsní světlo se odráží od povrchu kůže a část pulsního světla je vstřikována do kůže. Vnitřek kůže se skládá z mnoha vrstev a pulzní světlo vstupující do kůže se odráží zpět jako malé pulzní světlo a vnitřní strukturu kůže lze poznat z ozvěny těchto různých pulzujících světel v odraženém světle.
Kromě toho má tato technologie velké využití v oftalmologii, protože je schopna pořizovat stereoskopické snímky sítnice hluboko v oku. To umožňuje lékařům diagnostikovat, zda existuje problém s jejich tkání. Tento typ vyšetření se neomezuje pouze na oči. Pokud se do těla vyšle laser optickým vláknem, je možné prozkoumat všechny tkáně různých orgánů v těle a možná bude možné zkontrolovat, zda se v budoucnu nestal rakovinou.

Implementace ultra přesných hodin
Vědci se domnívají, že pokud afemtosekundový laserHodiny jsou vyrobeny pomocí viditelného světla, budou schopny měřit čas přesněji než atomové hodiny a v nadcházejících letech to budou nejpřesnější hodiny na světě. Pokud jsou hodiny přesné, pak se výrazně zlepší i přesnost GPS (Global Positioning System) používaného pro automobilovou navigaci.
Proč může viditelné světlo vytvořit přesné hodiny? Všechny hodiny a hodiny jsou neoddělitelné od pohybu kyvadla a ozubeného kola a prostřednictvím kmitání kyvadla s přesnou frekvencí vibrací se ozubené kolo otáčí několik sekund a přesné hodiny nejsou výjimkou. Proto, aby byly hodiny přesnější, je nutné použít kyvadlo s vyšší frekvencí vibrací. Křemenné hodiny (hodiny, které kmitají krystaly místo kyvadel) jsou přesnější než kyvadlové hodiny, protože křemenný rezonátor kmitá vícekrát za sekundu.
Cesiové atomové hodiny, které jsou nyní časovým standardem, oscilují na frekvenci asi 9,2 gigahertzů (předpona mezinárodní jednotky giga, 1 giga = 10^9). Atomové hodiny využívají vlastní frekvenci kmitů atomů cesia k nahrazení kyvadla mikrovlnami se stejnou frekvencí kmitání a jejich přesnost je pouze 1 sekunda za desítky milionů let. Naproti tomu viditelné světlo má frekvenci oscilací 100 000 až 1 000 000krát vyšší než u mikrovln, to znamená, že využívá energii viditelného světla k vytvoření přesných hodin, které jsou milionkrát přesnější než atomové hodiny. V laboratoři byly nyní úspěšně sestrojeny nejpřesnější hodiny na světě využívající viditelné světlo.
Pomocí těchto přesných hodin lze ověřit Einsteinovu teorii relativity. Jedny z těchto přesných hodin jsme umístili do laboratoře a druhé do kanceláře v přízemí, zvážíme-li, co by se mohlo stát, po hodině nebo dvou byl výsledek takový, jaký předpověděla Einsteinova teorie relativity, kvůli dvěma Existují různá „gravitační pole “ mezi patry už ty dvě hodiny neukazují na stejný čas a hodiny dole běží pomaleji než ty nahoře. S přesnějšími hodinami by možná i čas na zápěstí a kotníku byl ten den jiný. Jednoduše můžeme zažít kouzlo relativity pomocí přesných hodin.

Technologie zpomalení rychlosti světla
V roce 1999 profesor Rainer Howe z Hubbard University ve Spojených státech úspěšně zpomalil světlo na 17 metrů za sekundu, což je rychlost, kterou auto dokáže dohnat, a poté úspěšně zpomalil na úroveň, kterou dožene i kolo. Tento experiment zahrnuje nejmodernější výzkum ve fyzice a tento článek představuje pouze dva klíče k úspěchu experimentu. Jedním z nich je vybudovat „mrak“ atomů sodíku při extrémně nízké teplotě blízké absolutní nule (-273,15 °C), což je speciální plynný stav nazývaný Bose-Einsteinův kondenzát. Druhým je laser, který moduluje vibrační frekvenci (laser pro ovládání) a ozařuje s ním oblak atomů sodíku a v důsledku toho se dějí neuvěřitelné věci.
Vědci nejprve pomocí řídicího laseru stlačí pulzní světlo v oblaku atomů a rychlost se extrémně zpomalí. V tomto okamžiku je řídicí laser vypnutý, pulzní světlo zmizí a informace nesené pulzním světlem se uloží do oblaku atomů. . Poté se ozáří kontrolním laserem, pulzní světlo se obnoví a vyjde z oblaku atomů. Takže původně stlačený puls se znovu natáhne a rychlost se obnoví. Celý proces zadávání informací o pulzním světle do atomového oblaku je podobný čtení, ukládání a resetování v počítači, takže tato technologie je užitečná pro realizaci kvantových počítačů.

Svět od „femtosekundy“ po „attosekundu“
Femtosekundyjsou mimo naši představivost. Nyní jsme zpět ve světě attosekund, které jsou kratší než femtosekundy. A je zkratka pro předponu SI atto. 1 attosekunda = 1 × 10^-18 sekund = jedna tisícina femtosekundy. Attosekundové pulsy nelze vytvářet viditelným světlem, protože ke zkrácení pulsu musí být použity kratší vlnové délky světla. Například v případě vytváření pulsů červeným viditelným světlem není možné vytvořit pulsy kratší než tato vlnová délka. Viditelné světlo má limit kolem 2 femtosekund, pro které attosekundové pulsy využívají kratší vlnové délky rentgenového záření nebo gama záření. Co bude v budoucnu objeveno pomocí attosekundových rentgenových pulsů, není jasné. Například použití attosekundových záblesků k vizualizaci biomolekul nám umožňuje pozorovat jejich aktivitu v extrémně krátkých časových měřítcích a možná přesně určit strukturu biomolekul.