Застосування фемтосекундних лазерів

Фемтосекундні лазери — це пристрої, що генерують "ультракоротке імпульсне світло", які випромінюють світло протягом надкороткого періоду часу, що становить лише один гігабіт секунди. Фемто — абревіатура міжнародної системи одиниць фемто (femto), 1 фемтосекунда=1 × 10^-15 секунда. Так зване імпульсне світло лише за мить випускає світло. Час випромінювання спалаху камери становить близько 1 мікросекунди, тому надкороткий імпульс фемтосекундного світла займає лише приблизно одну мільярдну частину свого часу, щоб випустити світло. Як ми всі знаємо, швидкість світла становить 300, 000 кілометрів на секунду (7 з половиною тижнів навколо Землі за 1 секунду) — безпрецедентна швидкість, але протягом 1 фемтосекунди рівне світло рухається лише на 0,3 мікрона вперед.
Зазвичай ми використовуємо фотографію зі спалахом, щоб мати можливість вирізати миттєвий стан рухомого об’єкта. Подібним чином, за допомогою фемтосекундного лазерного спалаху можна побачити кожен фрагмент хімічної реакції, що відбувається з шаленою швидкістю. З цієї причини фемтосекундні лазери можна використовувати для вивчення таємниці хімічних реакцій.
Загалом хімічні реакції відбуваються після проміжного стану високої енергії, так званого «активованого стану». Існування стану активації було теоретично передбачено хіміком Арреніусом у 1889 році, але його неможливо спостерігати безпосередньо, оскільки він існував протягом дуже короткого часу. Однак його існування було безпосередньо продемонстровано фемтосекундним лазером наприкінці 1980-х років, і це приклад хімічної реакції, ідентифікованої з фемтосекундним лазером. Наприклад, розпад молекули циклопентанону на оксид вуглецю і дві молекули етилену в активованому стані.
Сьогодні фемтосекундні лазери також використовуються в широкому спектрі галузей, таких як фізика, хімія, науки про життя, медицина, техніка тощо. Зокрема, світло та електроніка йдуть рука об руку та, як очікується, відкриють усі види нових можливостей у сфера зв'язку або комп'ютери та енергетика. Це пояснюється тим, що інтенсивність світла може передавати велику кількість інформації з одного місця в інше майже без втрат, завдяки чому оптичний зв’язок стає ще більш високошвидкісним. У галузі ядерної фізики фемтосекундні лазери зробили величезний вплив. Оскільки імпульсне світло має дуже сильне електричне поле, можна прискорити електрони майже до швидкості світла за 1 фемтосекунду, і тому його можна використовувати як «педаль газу» для прискорення електронів.
Медичні застосування
Як згадувалося вище, світ у фемтосекундах настільки заморожений, що навіть світло не може просунутися дуже далеко, але навіть у цьому масштабі часу атоми та молекули в речовині та електрони в ланцюгах всередині комп’ютерних мікросхем все ще рухаються. Якщо ви використовуєте фемтосекундні імпульси, ви можете змусити його миттєво зупинитися та вивчити, що відбувається. На додаток до спалахів, які зупиняють час, фемтосекундні лазери здатні свердлити мікроскопічні отвори в металі діаметром до 200 нанометрів (двох тисячних міліметра). Це означає, що ультракороткі імпульси світла, які стискаються та замикаються всередині на короткий проміжок часу, отримують надзвичайно високу потужність без додаткового пошкодження навколишнього середовища. Крім того, імпульсне світло від фемтосекундного лазера здатне робити надзвичайно чіткі стереозображення об’єкта. Стереоскопічна фотографія має велике застосування в медичній діагностиці, відкриваючи таким чином нову галузь досліджень під назвою оптична інтерференційна томографія. Це використання фемтосекундних лазерів для отримання стереоскопічних зображень живих тканин і клітин. Наприклад, дуже короткий імпульс світла спрямовується на шкіру, і імпульсне світло відбивається на поверхні шкіри, при цьому частина імпульсного світла спрямовується на шкіру. Внутрішня частина шкіри складається з багатьох шарів, і імпульсне світло, яке потрапляє на шкіру, відбивається назад у вигляді малих імпульсів, і за відлунням цих формованих імпульсних світлів у відбитому світлі можна дізнатися внутрішню структуру шкіра.
Крім того, ця технологія має велике застосування в офтальмології, де можна робити стереоскопічні зображення сітківки глибоко всередині ока. Таким чином лікарі можуть діагностувати, чи є проблема з його тканинами. Це обстеження не обмежується лише очима, але якщо лазер направити в тіло за допомогою волоконної оптики, можна досліджувати всі тканини різних органів тіла, а в майбутньому навіть можна буде перевірити, чи вони стали раковий.
Отримайте надточний годинник
Вчені вважають, що якщо годинник із фемтосекундним лазером зробити з використанням видимого світла, він зможе вимірювати час точніше, ніж атомний годинник, і в найближчі роки стане найточнішим годинником у світі. Якщо годинник точний, це також значно покращує точність GPS (системи глобального позиціонування), яка використовується для автомобільної навігації.
Чому видиме світло може робити точні годинники? Усі годинники не мають маятника та шестерень для руху, через коливання маятника з точною частотою вібрації, так що шестерінки повертають секунди, точні годинники не є винятком. Тому для створення більш точних годинників необхідно використовувати маятник з більш високою частотою вібрації. Кварцові годинники (годинники з кристалічними коливаннями замість маятників) більш точні, ніж маятникові, і це тому, що кварцові резонатори коливаються частіше за секунду.
Частота коливань цезієвого атомного годинника, який зараз є еталоном часу, становить близько 9,2 гігагерца (слово голова міжнародної одиниці гіга, 1 гіг=10^9). Атомний годинник використовує притаманну частоту коливань атомів цезію, частота коливань якої відповідає мікрохвильовій печі, а не маятнику, його точність становить десятки мільйонів років, лише різниця в 1 секунду. Навпаки, частота коливань видимого світла від 100,000 до 1 мільйона разів вища за частоту мікрохвильових коливань, тобто видиме світло можна використовувати для створення точних годинників із точністю в мільйон разів вищою, ніж атомні годинники. Зараз у лабораторії успішно створено найточніший у світі годинник, який використовує видиме світло.
За допомогою цього точного годинника можна перевірити теорію відносності Ейнштейна. Ми будемо з таким точним годинником у лабораторії, інший в офісі внизу, розглянемо можливу ситуацію, через одну-дві години, результати, передбачені теорією відносності Ейнштейна, через те, що два шари мають різне "гравітаційне поле" між двома годинниками більше не вказує той самий час, годинник внизу, ніж годинник нагорі. Годинник внизу рухається повільніше, ніж годинник нагорі. З більш точним годинником, можливо, навіть годинник на зап’ясті та на щиколотці не показував би той самий час того дня. Ми можемо просто відчути чарівність теорії відносності за допомогою точних годинників.
Технологія уповільнення світла
У 1999 році професору Райнеру Хау з Університету Хаббарта в Сполучених Штатах вдалося сповільнити світло до 17 метрів за секунду, швидкість, яку міг наздогнати автомобіль, а згодом – до швидкості, яку міг наздогнати навіть велосипед. Цей експеримент передбачає дослідження на передньому краї фізики, і в цьому документі представлено лише два ключі до успіху експерименту. Одна з них полягає в утворенні «хмари» атомів натрію при надзвичайно низьких температурах, близьких до абсолютного нуля (-273.15 градусів), особливому газовому стані, відомому як конденсат Бозе-Ейнштейна. Інший — лазер (керуючий лазер), який регулює частоту коливань і опромінює ним хмару атомів натрію, в результаті чого відбувається щось неймовірне.
Перш за все, за допомогою керуючого лазера імпульсне світло стискалося в хмарі атомів і сповільнювалося до екстремальної швидкості. Потім контрольний лазер запалюється знову, і імпульсне світло відновлюється і виходить з атомної хмари. Імпульси, які були стиснуті, потім знову розширюються, і швидкість відновлюється. Весь процес введення імпульсної світлової інформації в атомну хмару схожий на зчитування, зберігання та скидання в комп’ютері, тому ця методика корисна для впровадження квантових комп’ютерів.
Від «фемтосекундного» до «атосекундного» світу
Фемтосекунди вже виходять за межі нашої уяви. Тепер ми занурюємось у світ «аттосекунд», який навіть коротший за фемтосекунду. А — це абревіатура слова atto Міжнародної системи одиниць (СІ). 1 аттосекунда=1 x 10^-18 секунд=1 тисячна фемтосекунди. Атосекундний імпульс не може бути створений за допомогою видимого світла, тому що коротші імпульси повинні бути створені за допомогою коротшої довжини хвилі світла. Наприклад, якщо ви хочете створити імпульс із червоним видимим світлом, неможливо створити імпульс із коротшою довжиною хвилі. Видиме світло становить приблизно 2 фемтосекунди, тому аттосекундні імпульси створюються з меншою довжиною хвилі рентгенівського або гамма-променів. Незрозуміло, що можна буде знайти в майбутньому за допомогою аттосекундного рентгенівського імпульсу. Наприклад, використовуючи аттосекундний міжспалах для візуалізації біомолекули, можна спостерігати її активність у дуже короткому часовому масштабі та, можливо, ідентифікувати структуру біомолекули.