Femtosecond Laser

A tia laser femto giâylà một thiết bị tạo "ánh sáng xung siêu ngắn" chỉ phát ra ánh sáng trong thời gian siêu ngắn khoảng một gigasec giây. Fei là tên viết tắt của Femto, tiền tố của Hệ thống đơn vị quốc tế, và 1 femto giây = 1 × 10 ^ -15 giây. Cái gọi là ánh sáng xung phát ra ánh sáng chỉ trong một khoảnh khắc. Thời gian phát sáng của đèn flash của máy ảnh là khoảng 1 micro giây, do đó, ánh sáng xung cực ngắn của femto giây chỉ phát ra ánh sáng trong khoảng một phần tỷ thời gian của nó. Như chúng ta đã biết, tốc độ ánh sáng là 300.000 km / giây (7 vòng rưỡi quanh trái đất trong 1 giây) với tốc độ vô song, nhưng trong 1 femto giây, thậm chí ánh sáng chỉ tiến thêm 0,3 micron.

Thông thường, với chụp ảnh có đèn flash, chúng ta có thể loại bỏ trạng thái nhất thời của một đối tượng chuyển động. Tương tự như vậy, nếu tia laser femto giây được chiếu sáng, có thể nhìn thấy từng mảnh của phản ứng hóa học ngay cả khi nó diễn ra với tốc độ dữ dội. Vì vậy, laser femto giây có thể được sử dụng để nghiên cứu bí ẩn của các phản ứng hóa học.
Các phản ứng hóa học nói chung được thực hiện sau khi chuyển qua trạng thái trung gian có năng lượng cao, gọi là "trạng thái hoạt hóa". Sự tồn tại của một trạng thái hoạt hóa đã được nhà hóa học Arrhenius dự đoán về mặt lý thuyết ngay từ năm 1889, nhưng nó không thể được quan sát trực tiếp vì nó tồn tại trong một thời gian rất ngắn. Nhưng sự tồn tại của nó đã được chứng minh trực tiếp bằng laser femto giây vào cuối những năm 1980, một ví dụ về cách các phản ứng hóa học có thể được xác định chính xác với laser femto giây. Ví dụ, phân tử xiclopentanone bị phân hủy thành carbon monoxide và 2 phân tử ethylene ở trạng thái hoạt hóa.
Các tia laser Femtosecond hiện nay cũng được sử dụng trong nhiều lĩnh vực như vật lý, hóa học, khoa học đời sống, y học và kỹ thuật, đặc biệt là trong ánh sáng và điện tử. Điều này là do cường độ ánh sáng có thể truyền một lượng lớn thông tin từ nơi này đến nơi khác mà hầu như không bị thất thoát, hơn nữa tăng tốc độ liên lạc quang học. Trong lĩnh vực vật lý hạt nhân, tia laser femto giây đã mang lại một tác động to lớn. Bởi vì ánh sáng xung có điện trường rất mạnh, có thể gia tốc các electron đến gần bằng tốc độ ánh sáng trong vòng 1 femto giây, vì vậy nó có thể được sử dụng như một "máy gia tốc" để gia tốc các electron.

Ứng dụng trong y học
Như đã đề cập ở trên, trong thế giới femto giây, ngay cả ánh sáng cũng bị đóng băng để nó không thể truyền đi rất xa, nhưng ngay cả ở quy mô thời gian này, các nguyên tử, phân tử trong vật chất và electron bên trong chip máy tính vẫn chuyển động trong mạch. Nếu xung femto giây có thể được sử dụng để ngăn chặn nó ngay lập tức, hãy nghiên cứu xem điều gì sẽ xảy ra. Ngoài thời gian nhấp nháy để dừng lại, tia laser femto giây có thể khoan những lỗ nhỏ trên kim loại có đường kính 200 nanomet (2 / 10.000 milimet). Điều này có nghĩa là ánh sáng xung cực ngắn được nén và khóa bên trong trong một khoảng thời gian ngắn sẽ đạt được hiệu quả đáng kinh ngạc về công suất cực cao và không gây thêm thiệt hại cho xung quanh. Hơn nữa, ánh sáng xung của tia laser femto giây có thể chụp ảnh lập thể cực kỳ tốt của các vật thể. Hình ảnh lập thể rất hữu ích trong chẩn đoán y tế, do đó mở ra một lĩnh vực nghiên cứu mới được gọi là chụp cắt lớp giao thoa quang học. Đây là hình ảnh lập thể của mô sống và tế bào sống được chụp bằng tia laser femto giây. Ví dụ, một xung ánh sáng rất ngắn được nhắm vào da, ánh sáng xung được phản xạ khỏi bề mặt da và một phần của ánh sáng xung được tiêm vào da. Bên trong da bao gồm nhiều lớp, và ánh sáng xung đi vào da sẽ bị phản xạ trở lại dưới dạng ánh sáng xung nhỏ, và cấu trúc bên trong của da có thể biết được từ tiếng vang của các xung ánh sáng khác nhau trong ánh sáng phản xạ.
Ngoài ra, công nghệ này còn có tiện ích rất lớn trong nhãn khoa, có khả năng lấy hình ảnh lập thể của võng mạc sâu trong mắt. Điều này cho phép các bác sĩ chẩn đoán xem có vấn đề gì với mô của họ hay không. Loại kiểm tra này không giới hạn ở mắt. Nếu tia laser được truyền vào cơ thể bằng một sợi quang học, nó có thể kiểm tra tất cả các mô của các cơ quan khác nhau trong cơ thể và thậm chí có thể kiểm tra xem nó có trở thành ung thư trong tương lai hay không.

Triển khai đồng hồ siêu chính xác
Các nhà khoa học tin rằng nếu mộttia laser femto giâyĐồng hồ được sản xuất bằng ánh sáng nhìn thấy, nó sẽ có thể đo thời gian chính xác hơn đồng hồ nguyên tử, và nó sẽ là đồng hồ chính xác nhất thế giới trong nhiều năm tới. Nếu đồng hồ chính xác, thì độ chính xác của GPS (Hệ thống Định vị Toàn cầu) được sử dụng để điều hướng ô tô cũng được cải thiện đáng kể.
Tại sao ánh sáng khả kiến ​​có thể tạo ra một chiếc đồng hồ chính xác? Tất cả đồng hồ và đồng hồ đều không thể tách rời chuyển động của con lắc và bánh răng, và thông qua dao động của con lắc với tần số rung chính xác, bánh răng sẽ quay trong giây, và đồng hồ chính xác cũng không ngoại lệ. Vì vậy, để chế tạo đồng hồ chính xác hơn cần dùng con lắc có tần số dao động lớn hơn. Đồng hồ thạch anh (đồng hồ dao động bằng tinh thể thay vì mặt dây chuyền) chính xác hơn đồng hồ quả lắc vì bộ cộng hưởng thạch anh dao động nhiều lần hơn trong một giây.
Đồng hồ nguyên tử cesium, hiện là tiêu chuẩn thời gian, dao động ở tần số khoảng 9,2 gigahertz (tiền tố của đơn vị quốc tế giga, 1 giga = 10 ^ 9). Đồng hồ nguyên tử sử dụng tần số dao động tự nhiên của nguyên tử xêzi để thay thế con lắc bằng sóng vi ba có cùng tần số dao động, và độ chính xác của nó chỉ là 1 giây trong hàng chục triệu năm. Ngược lại, ánh sáng khả kiến ​​có tần số dao động cao hơn sóng vi ba từ 100.000 đến 1.000.000 lần, tức là sử dụng năng lượng ánh sáng khả kiến ​​để tạo ra đồng hồ chính xác, chính xác hơn đồng hồ nguyên tử hàng triệu lần. Đồng hồ chính xác nhất thế giới sử dụng ánh sáng nhìn thấy hiện đã được chế tạo thành công trong phòng thí nghiệm.
Với sự trợ giúp của chiếc đồng hồ chính xác này, thuyết tương đối của Einstein có thể được xác minh. Chúng tôi đặt một trong những chiếc đồng hồ chính xác này trong phòng thí nghiệm và chiếc còn lại ở văn phòng tầng dưới, xem xét điều gì có thể xảy ra, sau một hoặc hai giờ, kết quả đúng như dự đoán của thuyết tương đối của Einstein, do hai "trường hấp dẫn" khác nhau "giữa các tầng, hai đồng hồ không còn chỉ cùng một thời gian, và đồng hồ ở tầng dưới chạy chậm hơn đồng hồ ở tầng trên. Với một chiếc đồng hồ chính xác hơn, thậm chí có thể thời gian trên cổ tay và mắt cá chân sẽ khác vào ngày hôm đó. Chúng ta có thể trải nghiệm sự kỳ diệu của thuyết tương đối một cách đơn giản với sự trợ giúp của đồng hồ chính xác.

Công nghệ làm chậm tốc độ ánh sáng
Vào năm 1999, Giáo sư Rainer Howe của Đại học Hubbard, Hoa Kỳ đã giảm tốc thành công ánh sáng xuống 17 mét / giây, tốc độ mà một chiếc ô tô có thể đuổi kịp và sau đó giảm tốc độ thành công đến mức mà ngay cả một chiếc xe đạp cũng có thể đuổi kịp. Thí nghiệm này liên quan đến nghiên cứu tiên tiến nhất trong vật lý, và bài viết này chỉ giới thiệu hai chìa khóa dẫn đến thành công của thí nghiệm. Một là xây dựng một "đám mây" các nguyên tử natri ở nhiệt độ cực thấp, gần bằng không tuyệt đối (-273,15 ° C), một trạng thái khí đặc biệt gọi là ngưng tụ Bose-Einstein. Loại còn lại là một tia laser điều chỉnh tần số dao động (tia laser để điều khiển) và chiếu xạ một đám mây nguyên tử natri với nó, và kết quả là những điều khó tin đã xảy ra.
Đầu tiên, các nhà khoa học sử dụng tia laser điều khiển để nén ánh sáng xung trong đám mây nguyên tử, và tốc độ cực kỳ chậm lại. Lúc này, tia laser điều khiển bị tắt, ánh sáng xung biến mất và thông tin mang theo ánh sáng xung được lưu trữ trong đám mây nguyên tử. . Sau đó, nó được chiếu xạ bằng một tia laser điều khiển, ánh sáng xung được thu hồi và nó đi ra khỏi đám mây nguyên tử. Vì vậy, xung nén ban đầu được kéo dài trở lại và tốc độ được phục hồi. Toàn bộ quá trình nhập thông tin ánh sáng xung vào đám mây nguyên tử tương tự như việc đọc, lưu trữ và thiết lập lại trong máy tính, vì vậy công nghệ này rất hữu ích cho việc thực hiện máy tính lượng tử.

Thế giới từ "femtosecond" đến "attosecond"
Femtosecondsnằm ngoài sức tưởng tượng của chúng tôi. Bây giờ chúng ta quay trở lại thế giới của atto giây, ngắn hơn femto giây. A là chữ viết tắt của tiền tố SI. 1 attosecond = 1 × 10 ^ -18 giây = một phần nghìn femto giây. Xung Attosecond không thể được tạo ra với ánh sáng nhìn thấy vì phải sử dụng bước sóng ánh sáng ngắn hơn để rút ngắn xung. Ví dụ, trong trường hợp tạo xung với ánh sáng nhìn thấy màu đỏ, không thể tạo xung ngắn hơn bước sóng đó. Ánh sáng nhìn thấy có giới hạn khoảng 2 femto giây, trong đó xung attosecond sử dụng tia X hoặc tia gamma có bước sóng ngắn hơn. Điều gì sẽ được khám phá trong tương lai bằng cách sử dụng xung tia X của giây là không rõ ràng. Ví dụ, việc sử dụng đèn flash attosecond để hình dung các phân tử sinh học cho phép chúng ta quan sát hoạt động của chúng trên quy mô thời gian cực ngắn và có thể xác định chính xác cấu trúc của các phân tử sinh học.