Фемтосекундни ласер

A фемтосекундни ласерје уређај за генерисање "ултракратког пулсног светла" који емитује светлост само за ултракратко време од око једне гигасекунде. Феи је скраћеница од Фемто, префикса Међународног система јединица, и 1 фемтосекунда = 1×10^-15 секунди. Такозвана пулсирајућа светлост емитује светлост само на тренутак. Време које емитује светлост блица камере је око 1 микросекунду, тако да ултра-кратка пулсна светлост од фемтосекунде емитује светлост само око милијарду свог времена. Као што сви знамо, брзина светлости је 300.000 километара у секунди (7 и по кругова око Земље за 1 секунду) неупоредивом брзином, али за 1 фемтосекунду чак и светлост напредује само за 0,3 микрона.

Често, помоћу блиц фотографије можемо да исечемо тренутно стање објекта у покрету. Слично, ако се фемтосекундни ласер бљесне, могуће је видети сваки фрагмент хемијске реакције чак и док се одвија великом брзином. У ту сврху, фемтосекундни ласери се могу користити за проучавање мистерије хемијских реакција.
Опште хемијске реакције се спроводе након проласка кроз средње стање са високом енергијом, такозвано „активирано стање“. Постојање активираног стања теоретски је предвидео хемичар Арренијус још 1889. године, али се оно не може директно посматрати јер постоји веома кратко. Али његово постојање су директно демонстрирали фемтосекундни ласери касних 1980-их, пример како се хемијске реакције могу прецизно одредити фемтосекундним ласерима. На пример, молекул циклопентанона се у активираном стању разлаже на угљен моноксид и 2 молекула етилена.
Фемтосекундни ласери се сада такође користе у широком спектру области као што су физика, хемија, науке о животу, медицина и инжењеринг, посебно у светлу и електроници. То је зато што интензитет светлости може пренети велику количину информација са једног места на друго без икаквих губитака, додатно убрзавајући оптичку комуникацију. У области нуклеарне физике, фемтосекундни ласери су донели огроман утицај. Пошто пулсирајућа светлост има веома јако електрично поље, могуће је убрзати електроне до брзине светлости у року од 1 фемтосекунде, тако да се може користити као "акцелератор" за убрзавање електрона.

Примена у медицини
Као што је горе поменуто, у фемтосекундном свету чак је и светлост замрзнута тако да не може да путује далеко, али чак и на овој временској скали, атоми, молекули у материји и електрони у компјутерским чиповима се и даље крећу у круговима. Ако се фемтосекундни пулс може искористити да га тренутно заустави, проучите шта се дешава. Поред времена за заустављање трептања, фемтосекундни ласери су у стању да избуше ситне рупе у металу пречника од чак 200 нанометара (2/10.000 милиметра). То значи да ултра-кратка пулсирајућа светлост која је компримована и закључана унутра у кратком временском периоду постиже невероватан ефекат ултра-високог излаза и не узрокује додатну штету околини. Штавише, пулсирајућа светлост фемтосекундног ласера ​​може да направи изузетно фине стереоскопске слике објеката. Стереоскопско снимање је веома корисно у медицинској дијагностици, чиме се отвара ново поље истраживања које се зове оптичка интерферентна томографија. Ово је стереоскопска слика живог ткива и живих ћелија снимљена фемтосекундним ласером. На пример, веома кратак светлосни импулс је усмерен на кожу, пулсирајућа светлост се одбија од површине коже, а део пулсираног светла се убризгава у кожу. Унутрашњост коже је састављена од много слојева, а пулсирајућа светлост која улази у кожу се одбија као мала пулсирајућа светлост, а унутрашња структура коже може се знати из одјека ових различитих импулсних светлости у рефлектованој светлости.
Поред тога, ова технологија има велику корист у офталмологији, способна да направи стереоскопске слике мрежњаче дубоко у оку. Ово омогућава лекарима да дијагностикују да ли постоји проблем са њиховим ткивом. Ова врста прегледа није ограничена на очи. Ако се оптичким влакном пошаље ласер у тело, могуће је прегледати сва ткива разних органа у телу, а можда чак и проверити да ли је у будућности прерастао у рак.

Имплементација ултра-прецизног сата
Научници верују да ако Афемтосекундни ласерсат направљен коришћењем видљиве светлости, моћи ће да мери време прецизније од атомских сатова и биће најтачнији сат на свету у годинама које долазе. Ако је сат тачан, тачност ГПС-а (Глобал Поситионинг Систем) који се користи за навигацију аутомобила је такође значајно побољшана.
Зашто видљива светлост може да направи прецизан сат? Сви сатови и сатови су неодвојиви од кретања клатна и зупчаника, а кроз осциловање клатна са прецизном фреквенцијом вибрације, зупчаник се окреће за секунде, а тачан сат није изузетак. Због тога, да би се направио тачнији сат, потребно је користити клатно са већом фреквенцијом вибрација. Кварцни сатови (сатови који осцилују кристалима уместо клатна) су тачнији од сатова са клатном јер кварцни резонатор осцилује више пута у секунди.
Атомски сат цезијума, који је сада временски стандард, осцилира на фреквенцији од око 9,2 гигахерца (префикс међународне јединице гига, 1 гига = 10^9). Атомски сат користи природну фреквенцију осциловања атома цезијума да замени клатно микроталасима са истом фреквенцијом осциловања, а његова тачност је само 1 секунда у десетинама милиона година. Насупрот томе, видљива светлост има фреквенцију осциловања 100.000 до 1.000.000 пута већу од оне у микроталасима, односно користи енергију видљиве светлости за стварање прецизног сата који је милионе пута тачнији од атомских сатова. Најпрецизнији светски сат који користи видљиву светлост сада је успешно направљен у лабораторији.
Уз помоћ овог прецизног сата, Ајнштајнова теорија релативности се може проверити. Један од ових прецизних сатова ставили смо у лабораторију, а други у канцеларију у приземљу, с обзиром на то шта би се могло догодити, након сат или два, резултат је био онакав какав је предвиђала Ајнштајнова теорија релативности, због два различита „гравитациона поља“. „између спратова, два сата више не показују на исто време, а сат доле ради спорије од оног на спрату. Са прецизнијим сатом, можда би чак и време на зглобу и зглобу било другачије тог дана. Можемо једноставно искусити магију релативности уз помоћ тачних сатова.

Технологија успоравања брзине светлости
Године 1999., професор Раинер Хове са Универзитета Хабард у Сједињеним Државама успешно је успорио светлост на 17 метара у секунди, брзину коју аутомобил може да сустигне, а затим успешно успорио до нивоа који чак и бицикл може да сустигне. Овај експеримент укључује најсавременија истраживања у физици, а овај чланак представља само два кључа за успех експеримента. Један је да се направи „облак” атома натријума на изузетно ниској температури близу апсолутне нуле (-273,15°Ц), посебног гасног стања званог Босе-Ајнштајн кондензат. Други је ласер који модулира фреквенцију вибрација (ласер за контролу) и њиме зрачи облак атома натријума, и као резултат тога, дешавају се невероватне ствари.
Научници прво користе контролни ласер за компресију пулсиране светлости у облаку атома, а брзина је изузетно успорена. У овом тренутку, контролни ласер се искључује, пулсирајућа светлост нестаје, а информације које се преносе пулсирајућом светлошћу чувају се у облаку атома. . Затим се озрачи контролним ласером, пулсирајућа светлост се поврати и она излази из облака атома. Дакле, првобитно компримовани пулс се поново растеже и брзина се враћа. Цео процес уношења пулсне светлосне информације у атомски облак је сличан читању, складиштењу и ресетовању у рачунару, тако да је ова технологија од помоћи за реализацију квантних рачунара.

Свет од "фемтосекунде" до "аттосекунде"
Фемтосекундесу изван наше маште. Сада смо поново у свету атосекунди, које су краће од фемтосекунди. А је скраћеница за СИ префикс атто. 1 атосекунда = 1 × 10^-18 секунди = хиљадити део фемтосекунде. Аттосекундни импулси се не могу направити са видљивом светлошћу јер се за скраћење импулса морају користити краће таласне дужине светлости. На пример, у случају прављења импулса са црвеном видљивом светлошћу, немогуће је направити импулсе краће од те таласне дужине. Видљива светлост има ограничење од око 2 фемтосекунде, за које аттосекундни импулси користе рендгенске зраке краће таласне дужине или гама зраке. Нејасно је шта ће се открити у будућности коришћењем атосекундних рендгенских импулса. На пример, употреба аттосекундних блица за визуелизацију биомолекула омогућава нам да посматрамо њихову активност на изузетно кратким временским скалама и можда прецизно одредимо структуру биомолекула.