Femtosekundenlaser

A Femtosekundenlaserist ein "Ultrakurzpulslicht"-Erzeugungsgerät, das Licht nur für eine ultrakurze Zeit von etwa einer Gigasekunde emittiert. Fei ist die Abkürzung von Femto, dem Präfix des Internationalen Einheitensystems, und 1 Femtosekunde = 1×10^-15 Sekunden. Das sogenannte gepulste Licht sendet nur kurzzeitig Licht aus. Die Leuchtdauer des Blitzes einer Kamera beträgt etwa 1 Mikrosekunde, das ultrakurze Pulslicht von Femtosekunden gibt also nur etwa ein Milliardstel seiner Zeit Licht ab. Wie wir alle wissen, beträgt die Lichtgeschwindigkeit 300.000 Kilometer pro Sekunde (7,5 Erdumrundungen in 1 Sekunde) mit einer beispiellosen Geschwindigkeit, aber in 1 Femtosekunde schreitet sogar Licht nur um 0,3 Mikrometer voran.

Oft können wir mit Blitzfotografie den momentanen Zustand eines sich bewegenden Objekts ausschneiden. Wenn ein Femtosekundenlaser geblitzt wird, ist es ebenso möglich, jedes Fragment der chemischen Reaktion zu sehen, selbst wenn sie mit enormer Geschwindigkeit abläuft. Zu diesem Zweck können Femtosekundenlaser verwendet werden, um das Geheimnis chemischer Reaktionen zu erforschen.
Allgemeine chemische Reaktionen werden nach Durchlaufen eines Zwischenzustandes mit hoher Energie, dem sogenannten „aktivierten Zustand“, durchgeführt. Die Existenz eines aktivierten Zustands wurde bereits 1889 vom Chemiker Arrhenius theoretisch vorhergesagt, kann aber nicht direkt beobachtet werden, da er nur für sehr kurze Zeit existiert. Aber seine Existenz wurde Ende der 1980er Jahre direkt durch Femtosekundenlaser demonstriert, ein Beispiel dafür, wie chemische Reaktionen mit Femtosekundenlasern lokalisiert werden können. Beispielsweise wird das Cyclopentanonmolekül durch den aktivierten Zustand in Kohlenmonoxid und 2 Ethylenmoleküle zerlegt.
Femtosekundenlaser werden mittlerweile auch in vielen Bereichen wie Physik, Chemie, Life Sciences, Medizin und Ingenieurwesen, insbesondere in Licht und Elektronik, eingesetzt. Dies liegt daran, dass die Lichtintensität eine große Menge an Informationen nahezu verlustfrei von einem Ort zum anderen übertragen kann, wodurch die optische Kommunikation weiter beschleunigt wird. Auf dem Gebiet der Kernphysik haben Femtosekundenlaser einen enormen Einfluss gebracht. Da gepulstes Licht ein sehr starkes elektrisches Feld hat, ist es möglich, Elektronen innerhalb von 1 Femtosekunde auf nahezu Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen, sodass es als "Beschleuniger" zum Beschleunigen von Elektronen verwendet werden kann.

Anwendung in der Medizin
Wie oben erwähnt, ist in der Femtosekundenwelt sogar Licht eingefroren, so dass es nicht sehr weit reisen kann, aber selbst auf dieser Zeitskala bewegen sich Atome, Moleküle in Materie und Elektronen in Computerchips immer noch in Schaltkreisen. Wenn der Femtosekundenpuls verwendet werden kann, um ihn sofort zu stoppen, untersuchen Sie, was passiert. Zusätzlich zu der Blitzzeit bis zum Anhalten sind Femtosekundenlaser in der Lage, winzige Löcher in Metall mit einem Durchmesser von nur 200 Nanometern (2/10.000stel Millimeter) zu bohren. Dies bedeutet, dass das ultrakurz gepulste Licht, das in kurzer Zeit komprimiert und im Inneren eingeschlossen wird, eine erstaunliche Wirkung von ultrahoher Leistung erzielt und die Umgebung nicht zusätzlich schädigt. Darüber hinaus kann das gepulste Licht des Femtosekundenlasers extrem feine stereoskopische Bilder von Objekten aufnehmen. Die stereoskopische Bildgebung ist in der medizinischen Diagnostik sehr nützlich und eröffnet damit ein neues Forschungsgebiet namens optische Interferenztomographie. Dies ist ein stereoskopisches Bild von lebendem Gewebe und lebenden Zellen, das mit einem Femtosekundenlaser aufgenommen wurde. Beispielsweise wird ein sehr kurzer Lichtimpuls auf die Haut gerichtet, das gepulste Licht wird von der Hautoberfläche reflektiert und ein Teil des gepulsten Lichts wird in die Haut injiziert. Das Innere der Haut besteht aus vielen Schichten, und das in die Haut eintretende gepulste Licht wird als kleines gepulstes Licht zurückgeworfen, und die innere Struktur der Haut kann aus den Echos dieser verschiedenen gepulsten Lichtstrahlen im reflektierten Licht erkannt werden.
Darüber hinaus hat diese Technologie einen großen Nutzen in der Augenheilkunde, da sie in der Lage ist, stereoskopische Bilder der Netzhaut tief im Auge aufzunehmen. Auf diese Weise können Ärzte diagnostizieren, ob ein Problem mit ihrem Gewebe vorliegt. Diese Art der Untersuchung ist nicht auf die Augen beschränkt. Wird ein Laser mit einer optischen Faser in den Körper geschickt, ist es möglich, sämtliches Gewebe verschiedener Organe im Körper zu untersuchen und vielleicht sogar zu prüfen, ob es sich in Zukunft um Krebs handelt.

Implementierung einer ultrapräzisen Uhr
Wissenschaftler glauben, dass, wenn aFemtosekundenlaserUhr wird mit sichtbarem Licht hergestellt, sie wird die Zeit genauer messen können als Atomuhren und wird in den kommenden Jahren die genaueste Uhr der Welt sein. Wenn die Uhr genau ist, wird auch die Genauigkeit des GPS (Global Positioning System), das für die Autonavigation verwendet wird, stark verbessert.
Warum kann sichtbares Licht eine präzise Uhr machen? Alle Uhren und Uhren sind untrennbar mit der Bewegung eines Pendels und eines Zahnrads verbunden, und durch die Schwingung des Pendels mit einer präzisen Vibrationsfrequenz dreht sich das Zahnrad sekundenlang, und eine genaue Uhr ist keine Ausnahme. Um eine genauere Uhr herzustellen, ist es daher notwendig, ein Pendel mit einer höheren Schwingungsfrequenz zu verwenden. Quarzuhren (Uhren, die mit Kristallen anstelle von Pendeln schwingen) sind genauer als Pendeluhren, da der Quarzresonator öfter pro Sekunde schwingt.
Die Cäsium-Atomuhr, die heute das Zeitnormal ist, schwingt mit einer Frequenz von etwa 9,2 Gigahertz (Vorsilbe der internationalen Einheit Giga, 1 Giga = 10^9). Die Atomuhr verwendet die natürliche Schwingungsfrequenz von Cäsiumatomen, um das Pendel durch Mikrowellen mit der gleichen Schwingungsfrequenz zu ersetzen, und ihre Genauigkeit beträgt nur 1 Sekunde in zig Millionen Jahren. Im Gegensatz dazu hat sichtbares Licht eine 100.000- bis 1.000.000-mal höhere Oszillationsfrequenz als Mikrowellen, dh die Verwendung von sichtbarer Lichtenergie, um eine Präzisionsuhr zu erzeugen, die millionenfach genauer ist als Atomuhren. Die weltweit genaueste Uhr mit sichtbarem Licht wurde nun erfolgreich im Labor gebaut.
Mit Hilfe dieser präzisen Uhr lässt sich Einsteins Relativitätstheorie verifizieren. Wir stellten eine dieser präzisen Uhren in das Labor und die andere in das Büro im Erdgeschoss, wobei wir bedachten, was passieren könnte, nach ein oder zwei Stunden war das Ergebnis wie von Einsteins Relativitätstheorie vorhergesagt, aufgrund der beiden Es gibt verschiedene "Gravitationsfelder". " zwischen den Stockwerken zeigen die beiden Uhren nicht mehr die gleiche Zeit, und die Uhr unten geht langsamer als die oben. Mit einer genaueren Uhr wäre vielleicht sogar die Zeit am Hand- und Fußgelenk an diesem Tag anders. Wir können die Magie der Relativitätstheorie einfach mit Hilfe von genauen Uhren erleben.

Technologie zur Verlangsamung der Lichtgeschwindigkeit
1999 verlangsamte Professor Rainer Howe von der Hubbard University in den Vereinigten Staaten das Licht erfolgreich auf 17 Meter pro Sekunde, eine Geschwindigkeit, die ein Auto einholen kann, und bremste dann erfolgreich auf ein Niveau ab, das sogar ein Fahrrad einholen kann. Dieses Experiment beinhaltet die modernste Forschung in der Physik, und dieser Artikel stellt nur zwei Schlüssel zum Erfolg des Experiments vor. Eine besteht darin, bei einer extrem niedrigen Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt (-273,15 °C) eine „Wolke“ aus Natriumatomen zu bilden, einem speziellen Gaszustand, der als Bose-Einstein-Kondensat bezeichnet wird. Der andere ist ein Laser, der die Schwingungsfrequenz moduliert (der Laser zur Steuerung) und damit eine Wolke aus Natriumatomen bestrahlt, und als Ergebnis passieren unglaubliche Dinge.
Mit dem Steuerlaser komprimieren die Wissenschaftler zunächst das gepulste Licht in der Atomwolke, die Geschwindigkeit wird extrem verlangsamt. Zu diesem Zeitpunkt wird der Steuerlaser abgeschaltet, das gepulste Licht verschwindet und die auf dem gepulsten Licht getragene Information wird in der Atomwolke gespeichert. . Dann wird es mit einem Kontrolllaser bestrahlt, das gepulste Licht wird zurückgewonnen und es tritt aus der Atomwolke aus. So wird der ursprünglich komprimierte Impuls wieder gedehnt und die Geschwindigkeit wiederhergestellt. Der gesamte Prozess der Eingabe von gepulsten Lichtinformationen in eine Atomwolke ähnelt dem Lesen, Speichern und Zurücksetzen in einem Computer, sodass diese Technologie für die Realisierung von Quantencomputern hilfreich ist.

Die Welt von „Femtosekunde“ bis „Attosekunde“
Femtosekundenliegen jenseits unserer Vorstellungskraft. Jetzt sind wir zurück in der Welt der Attosekunden, die kürzer sind als Femtosekunden. A ist eine Abkürzung für das SI-Präfix atto. 1 Attosekunde = 1 × 10^-18 Sekunden = ein Tausendstel einer Femtosekunde. Attosekundenpulse können nicht mit sichtbarem Licht erzeugt werden, da kürzere Lichtwellenlängen verwendet werden müssen, um den Puls zu verkürzen. Beispielsweise ist es im Fall der Erzeugung von Impulsen mit rotem sichtbarem Licht unmöglich, Impulse kürzer als diese Wellenlänge zu erzeugen. Sichtbares Licht hat eine Grenze von etwa 2 Femtosekunden, für die Attosekundenpulse kürzerwellige Röntgen- oder Gammastrahlen verwenden. Was in Zukunft mit Attosekunden-Röntgenpulsen entdeckt wird, ist unklar. Beispielsweise ermöglicht uns die Verwendung von Attosekundenblitzen zur Visualisierung von Biomolekülen, ihre Aktivität auf extrem kurzen Zeitskalen zu beobachten und vielleicht die Struktur von Biomolekülen genau zu bestimmen.