Femtosecond Laser

A femtosecond laseray isang "ultrashort pulse light" na bumubuo ng device na naglalabas lamang ng liwanag para sa isang ultrashort na oras na humigit-kumulang isang gigasecond. Ang Fei ay ang abbreviation ng Femto, ang prefix ng International System of Units, at 1 femtosecond = 1×10^-15 seconds. Ang tinatawag na pulsed light ay naglalabas lamang ng liwanag sa isang iglap. Ang light-emitting time ng flash ng isang camera ay humigit-kumulang 1 microsecond, kaya ang ultra-short pulse light ng femtosecond ay naglalabas lamang ng liwanag sa halos isang bilyong bahagi ng oras nito. Tulad ng alam nating lahat, ang bilis ng liwanag ay 300,000 kilometro bawat segundo (7 at kalahating bilog sa paligid ng mundo sa loob ng 1 segundo) sa walang kapantay na bilis, ngunit sa 1 femtosecond, kahit na ang liwanag ay umuusad lamang ng 0.3 microns.

Kadalasan, sa flash photography nagagawa nating putulin ang panandaliang estado ng isang gumagalaw na bagay. Gayundin, kung ang isang femtosecond laseray nag-flash, posibleng makita ang bawat fragment ng kemikal na reaksyon kahit na ito ay nagpapatuloy sa isang marahas na bilis. Sa layuning ito, ang mga femtosecond laseray maaaring gamitin upang pag-aralan ang misteryo ng mga reaksiyong kemikal.
Ang mga pangkalahatang reaksiyong kemikal ay isinasagawa pagkatapos na dumaan sa isang intermediate na estado na may mataas na enerhiya, ang tinatawag na "activated state". Ang pagkakaroon ng activated state ay theoretically predicted ng chemist Arrhenius noon pang 1889, ngunit hindi ito direktang maobserbahan dahil umiiral ito sa napakaikling panahon. Ngunit ang pag-iral nito ay direktang ipinakita ng mga femtosecond lasernoong huling bahagi ng 1980s, isang halimbawa kung paano matukoy ang mga reaksiyong kemikal sa mga femtosecond laser. Halimbawa, ang cyclopentanone molecule ay nabubulok sa carbon monoxide at 2 ethylene molecule sa pamamagitan ng activated state.
Ginagamit na rin ngayon ang mga femtosecond lasersa malawak na hanay ng mga larangan tulad ng physics, chemistry, life sciences, medicine, at engineering, lalo na sa light at electronics. Ito ay dahil ang intensity ng liwanag ay maaaring magpadala ng isang malaking halaga ng impormasyon mula sa isang lugar patungo sa isa pa na halos walang pagkawala, na lalong nagpapabilis sa optical na komunikasyon. Sa larangan ng nuclear physics, ang femtosecond lasers ay nagdulot ng malaking epekto. Dahil ang pulsed light ay may napakalakas na electric field, posibleng mapabilis ang mga electron sa malapit sa bilis ng liwanag sa loob ng 1 femtosecond, kaya maaari itong magamit bilang isang "accelerator" para sa pagpapabilis ng mga electron.

Application sa medisina
Tulad ng nabanggit sa itaas, sa femtosecond na mundo kahit na ang liwanag ay nagyelo upang hindi ito makapaglakbay nang napakalayo, ngunit kahit na sa sukat ng oras na ito, ang mga atomo, molekula sa bagay, at mga electron sa loob ng mga chip ng computer ay gumagalaw pa rin sa mga circuit. Kung ang pulso ng femtosecond ay maaaring gamitin upang ihinto ito kaagad, pag-aralan kung ano ang mangyayari. Bilang karagdagan sa oras ng pagkislap upang huminto, ang mga femtosecond laseray nagagawang mag-drill ng maliliit na butas sa metal na kasing liit ng 200 nanometer (2/10,000th ng isang milimetro) ang lapad. Nangangahulugan ito na ang ultra-short pulsed light na naka-compress at naka-lock sa loob sa loob ng maikling panahon ay nakakakuha ng kamangha-manghang epekto ng ultra-high na output, at hindi nagdudulot ng karagdagang pinsala sa paligid. Higit pa rito, ang pulsed light ng femtosecond laseray maaaring kumuha ng napakahusay na stereoscopic na mga larawan ng mga bagay. Ang stereoscopic imaging ay lubhang kapaki-pakinabang sa medikal na diagnosis, kaya nagbubukas ng isang bagong larangan ng pananaliksik na tinatawag na optical interference tomography. Ito ay isang stereoscopic na imahe ng buhay na tissue at buhay na mga cell na kinunan gamit ang isang femtosecond laser. Halimbawa, ang isang napakaikling pulso ng liwanag ay nakatutok sa balat, ang pulsed na liwanag ay makikita sa ibabaw ng balat, at ang isang bahagi ng pulsed na ilaw ay itinuturok sa balat. Ang loob ng balat ay binubuo ng maraming mga layer, at ang pulsed light na pumapasok sa balat ay tumalbog pabalik bilang isang maliit na pulsed light, at ang panloob na istraktura ng balat ay maaaring malaman mula sa mga dayandang ng iba't ibang pulsed light na ito sa sinasalamin na liwanag.
Bilang karagdagan, ang teknolohiyang ito ay may mahusay na utility sa ophthalmology, na may kakayahang kumuha ng mga stereoscopic na larawan ng retina nang malalim sa mata. Nagbibigay-daan ito sa mga doktor na masuri kung may problema sa kanilang tissue. Ang ganitong uri ng pagsusuri ay hindi limitado sa mga mata. Kung ang isang laser ay ipinadala sa katawan gamit ang isang optical fiber, posible na suriin ang lahat ng mga tisyu ng iba't ibang mga organo sa katawan, at maaari pa ring suriin kung ito ay naging kanser sa hinaharap.

Pagpapatupad ng ultra-tumpak na orasan
Naniniwala ang mga siyentipiko na kung afemtosecond laserAng orasan ay ginawa gamit ang nakikitang liwanag, mas tumpak nitong masukat ang oras kaysa sa mga atomic na orasan, at ito ang magiging pinakatumpak na orasan sa mundo para sa mga darating na taon. Kung tumpak ang orasan, kung gayon ang katumpakan ng GPS (Global Positioning System) na ginagamit para sa nabigasyon ng sasakyan ay lubos ding napabuti.
Bakit nagagawa ng nakikitang liwanag ang isang tumpak na orasan? Ang lahat ng mga orasan at orasan ay hindi mapaghihiwalay mula sa paggalaw ng isang pendulum at isang gear, at sa pamamagitan ng oscillation ng pendulum na may tumpak na dalas ng panginginig ng boses, ang gear ay umiikot nang ilang segundo, at ang isang tumpak na orasan ay walang pagbubukod. Samakatuwid, upang makagawa ng isang mas tumpak na orasan, kinakailangan na gumamit ng isang pendulum na may mas mataas na dalas ng panginginig ng boses. Ang mga orasan ng quartz (mga orasan na nag-o-oscillate sa mga kristal sa halip na mga pendulum) ay mas tumpak kaysa sa mga orasan ng pendulum dahil ang quartz resonator ay nag-o-oscillate nang mas maraming beses bawat segundo.
Ang cesium atomic clock, na ngayon ay ang time standard, ay umuusad sa frequency na humigit-kumulang 9.2 gigahertz (ang prefix ng international unit giga, 1 giga = 10^9). Ginagamit ng atomic clock ang natural na oscillation frequency ng cesium atoms upang palitan ang pendulum ng mga microwave na may parehong frequency ng oscillation, at ang katumpakan nito ay 1 segundo lamang sa sampu-sampung milyong taon. Sa kabaligtaran, ang nakikitang liwanag ay may dalas ng oscillation na 100,000 hanggang 1,000,000 beses na mas mataas kaysa sa mga microwave, iyon ay, gamit ang nakikitang enerhiya ng liwanag upang lumikha ng isang precision na orasan na milyon-milyong beses na mas tumpak kaysa sa mga atomic na orasan. Ang pinakatumpak na orasan sa mundo gamit ang nakikitang liwanag ay matagumpay na ngayong naitayo sa laboratoryo.
Sa tulong ng tumpak na orasan na ito, mapapatunayan ang teorya ng relativity ni Einstein. Inilagay namin ang isa sa mga tumpak na orasan na ito sa laboratoryo at ang isa pa sa opisina sa ibaba, kung isasaalang-alang kung ano ang maaaring mangyari, pagkatapos ng isang oras o dalawa, ang resulta ay tulad ng hinulaang ng teorya ng relativity ni Einstein, dahil sa dalawang May magkaibang "gravitational fields." "Sa pagitan ng mga sahig, ang dalawang orasan ay hindi na tumuturo sa parehong oras, at ang orasan sa ibaba ay tumatakbo nang mas mabagal kaysa sa isa sa itaas. Sa isang mas tumpak na orasan, marahil kahit na ang oras sa pulso at bukung-bukong ay magiging iba sa araw na iyon. Maaari lamang nating maranasan ang magic ng relativity sa tulong ng mga tumpak na orasan.

Banayad na bilis ng pagbagal ng teknolohiya
Noong 1999, matagumpay na pinabagal ni Propesor Rainer Howe ng Hubbard University sa United States ang liwanag sa 17 metro bawat segundo, isang bilis na maaaring abutin ng isang kotse, at pagkatapos ay matagumpay na bumagal sa antas na kahit isang bisikleta ay maaaring abutin. Ang eksperimentong ito ay nagsasangkot ng pinakahuling pananaliksik sa pisika, at ang artikulong ito ay nagpapakilala lamang ng dalawang susi sa tagumpay ng eksperimento. Ang isa ay upang bumuo ng isang "ulap" ng sodium atoms sa isang napakababang temperatura malapit sa absolute zero (-273.15°C), isang espesyal na estado ng gas na tinatawag na Bose-Einstein condensate. Ang isa pa ay isang laser na nagmo-modulate sa vibrational frequency (ang laser para sa kontrol) at nag-iilaw ng ulap ng sodium atoms kasama nito, at bilang resulta, hindi kapani-paniwalang mga bagay ang nangyayari.
Ginagamit muna ng mga siyentipiko ang control laser upang i-compress ang pulsed light sa ulap ng mga atom, at ang bilis ay lubhang pinabagal. Sa oras na ito, ang control laser ay naka-off, ang pulsed light ay nawawala, at ang impormasyong dala sa pulsed light ay naka-imbak sa ulap ng mga atoms. . Pagkatapos ito ay irradiated sa isang control laser, ang pulsed light ay nakuhang muli, at ito ay lumabas sa ulap ng mga atomo. Kaya't ang orihinal na naka-compress na pulso ay naunat muli at ang bilis ay naibalik. Ang buong proseso ng pagpasok ng pulsed light na impormasyon sa isang atomic cloud ay katulad ng pagbabasa, pag-iimbak, at pag-reset sa isang computer, kaya nakakatulong ang teknolohiyang ito para sa pagsasakatuparan ng mga quantum computer.

Ang mundo mula sa "femtosecond" hanggang sa "attosecond"
Femtosecondsay lampas sa ating imahinasyon. Ngayon ay bumalik na tayo sa mundo ng mga attosecond, na mas maikli kaysa sa mga femtosecond. Ang A ay isang pagdadaglat para sa SI prefix atto. 1 attosecond = 1 × 10^-18 seconds = one thousandth ng isang femtosecond. Ang mga attosecond pulse ay hindi maaaring gawin gamit ang nakikitang liwanag dahil ang mas maiikling wavelength ng liwanag ay dapat gamitin upang paikliin ang pulso. Halimbawa, sa kaso ng paggawa ng mga pulso na may pulang nakikitang ilaw, imposibleng gawing mas maikli ang mga pulso kaysa sa haba ng daluyong iyon. Ang nakikitang liwanag ay may limitasyon na humigit-kumulang 2 femtosecond, kung saan ang mga attosecond pulse ay gumagamit ng mas maiikling wavelength na x-ray o gamma ray. Ano ang matutuklasan sa hinaharap gamit ang attosecond X-ray pulses ay hindi malinaw. Halimbawa, ang paggamit ng mga attosecond flashes upang mailarawan ang mga biomolecule ay nagbibigay-daan sa amin na obserbahan ang kanilang aktibidad sa napakaikling oras, at marahil ay matukoy ang istruktura ng mga biomolecule.