Femtosekundli lazerlarni qo'llash

Femtosoniyali lazerlar "ultrashort impulsli yorug'lik" ishlab chiqaruvchi qurilmalar bo'lib, ular juda qisqa vaqt oralig'ida atigi bir gigabit soniya davomida yorug'lik chiqaradi. Femto - femto (femto) xalqaro birliklar tizimining qisqartmasi, 1 femtosekund=1 × 10^-15 soniya. Impulsli yorug'lik deb ataladigan yorug'lik faqat bir lahzada yorug'likni chiqaradi. Kamera chirog'ining yorug'lik chiqarish vaqti taxminan 1 mikrosekundni tashkil qiladi, shuning uchun femtosoniyali yorug'likning ultra qisqa pulsi yorug'likni chiqarish vaqtining atigi milliarddan bir qismini tashkil qiladi. Hammamizga ma'lumki, yorug'lik tezligi sekundiga 300,{10}} kilometrni (1 soniyada 7 yarim hafta Yer atrofida aylanib yuradi) tengsiz tezlikni tashkil etadi, lekin 1 femtosekundda hatto yorug'lik ham atigi 0,3 mikron oldinga siljiydi.
Odatda, biz harakatlanuvchi ob'ektning oniy holatini kesish uchun flesh-fotosuratdan foydalanamiz. Xuddi shunday, femtosekundli lazer chirog'i bilan shiddatli tezlikda ketayotgan kimyoviy reaktsiyaning har bir bo'lagini ko'rish mumkin. Shu sababli, femtosekundli lazerlar kimyoviy reaktsiyalar sirini o'rganish uchun ishlatilishi mumkin.
Umuman olganda, kimyoviy reaktsiyalar yuqori energiyaning oraliq holatidan so'ng, "faollashgan holat" deb ataladigan holatda sodir bo'ladi. Faollashuv holatining mavjudligi 1889 yilda kimyogar Arrenius tomonidan nazariy jihatdan bashorat qilingan, ammo u juda qisqa vaqt ichida mavjud bo'lganligi sababli uni bevosita kuzatish mumkin emas edi. Biroq, uning mavjudligi to'g'ridan-to'g'ri 1980-yillarning oxirida femtosekundli lazer tomonidan ko'rsatildi va bu femtosekund lazer bilan aniqlangan kimyoviy reaktsiyaning namunasidir. Masalan, siklopentanon molekulasining faollashgan holatda uglerod oksidi va ikkita etilen molekulasiga parchalanishi.
Hozirgi vaqtda femtosekundli lazerlar fizika, kimyo, hayot haqidagi fanlar, tibbiyot, muhandislik va boshqalar kabi keng doiradagi sohalarda ham qo'llanilmoqda. Xususan, yorug'lik va elektronika yonma-yon ketadi va bu sohada barcha turdagi yangi imkoniyatlarni ochishi kutilmoqda. aloqa yoki kompyuterlar va energiya sohasi. Buning sababi shundaki, yorug'lik intensivligi katta hajmdagi ma'lumotlarni bir joydan ikkinchi joyga deyarli yo'qotmasdan uzatishi mumkin, bu esa optik aloqani yanada yuqori tezlikda qiladi. Yadro fizikasi sohasida femtosekundli lazerlar katta ta'sir ko'rsatdi. Impulsli yorug'lik juda kuchli elektr maydoniga ega bo'lganligi sababli, elektronlarni 1 femtosekundda yorug'lik tezligiga yaqin tezlashtirish mumkin va shuning uchun elektronlarni tezlashtirish uchun "gaz pedali" sifatida foydalanish mumkin.
Tibbiy ilovalar
Yuqorida aytib o'tganimizdek, femtosekundlarda dunyo shunchalik muzlatilganki, hatto yorug'lik ham juda uzoqqa harakat qila olmaydi, lekin bu vaqtda ham miqyosda materiyadagi atomlar va molekulalar va kompyuter chiplari ichidagi elektronlar hali ham harakatlanmoqda. Agar siz femtosekund impulslaridan foydalansangiz, uni darhol to'xtatib, nima bo'layotganini o'rganishingiz mumkin. Vaqtni to'xtatuvchi chaqnashlarga qo'shimcha ravishda, femtosekundli lazerlar metallda diametri 200 nanometr (millimetrning ikki mingdan ikkisi) gacha bo'lgan mikroskopik teshiklarni ochishga qodir. Bu shuni anglatadiki, qisqa vaqt ichida siqilgan va ichkarida qulflangan ultraqisqa yorug'lik impulslari atrofdagi hududga qo'shimcha zarar etkazmasdan hayratlanarli darajada yuqori natijaga ega bo'ladi. Bundan tashqari, femtosekundli lazerning impulsli nuri ob'ektning juda nozik stereo tasvirlarini olishga qodir. Stereoskopik fotografiya tibbiy diagnostikada katta qo'llaniladi, shuning uchun optik shovqin tomografiyasi deb ataladigan yangi tadqiqot sohasini ochadi. Bu tirik to'qimalar va hujayralarning stereoskopik tasvirlarini olish uchun femtosekundli lazerlardan foydalanish. Masalan, yorug'likning juda qisqa pulsi teriga qaratilgan bo'lib, impulsli yorug'lik teri yuzasida aks etadi, impulsli nurning bir qismi teriga yo'naltiriladi. Terining ichki qismi ko'p qatlamlardan iborat bo'lib, teriga tushgan impulsli yorug'lik kichik impulslar sifatida orqaga qaytariladi va bu shaklli impulsli chiroqlarning aks ettirilgan yorug'likdagi aks-sadolaridan, uning ichki tuzilishini bilish mumkin. teri.
Bundan tashqari, ushbu texnologiya oftalmologiyada katta foyda keltiradi, bu erda ko'z ichidagi to'r pardaning stereoskopik tasvirlarini olish mumkin. Shunday qilib, shifokorlar uning to'qimalarida muammo bor yoki yo'qligini aniqlashlari mumkin. Bu tekshiruv faqat ko‘z bilan cheklanmaydi, balki lazer tanaga optik tolalar yordamida yuborilsa, tanadagi turli a’zolarning barcha to‘qimalari tekshirilishi mumkin, kelajakda ular hatto ko‘zga aylanganligini ham tekshirish mumkin bo‘ladi. saraton kasalligi.
Juda aniq soatga erishing
Olimlarning fikricha, agar femtosekundlik lazerli soat ko‘rinadigan yorug‘lik yordamida yaratilsa, u atom soatiga qaraganda vaqtni aniqroq o‘lchay oladi va yaqin yillarda dunyodagi eng aniq soat bo‘lib xizmat qiladi. Agar soat aniq bo'lsa, u avtomobil navigatsiyasi uchun ishlatiladigan GPS (global joylashishni aniqlash tizimi) aniqligini ham sezilarli darajada yaxshilaydi.
Nima uchun ko'rinadigan yorug'lik aniq soatlar yaratishi mumkin? Barcha soatlar va soatlarda mayatnik va tebranishning aniq chastotasi bilan harakatlanish uchun viteslar mavjud emas, shunda viteslar soniyalarga aylanadi, aniq soatlar bundan mustasno emas. Shuning uchun aniqroq soatlarni yaratish uchun tebranish chastotasi yuqori bo'lgan mayatnikdan foydalanish kerak. Kvars soatlari (maatnik o'rniga kristall tebranishlari bo'lgan soatlar) mayatnikli soatlarga qaraganda aniqroqdir va buning sababi kvarts rezonatorlari soniyada ko'proq tebranadi.
Hozirgi vaqtda vaqt standarti bo'lgan seziy atom soatining tebranish chastotasi taxminan 9,2 gigagertsni tashkil qiladi (giga xalqaro birligining so'z boshlig'i, 1 gig=10^9). Atom soati seziy atomlariga xos bo'lgan tebranish chastotasidan foydalanish bo'lib, uning tebranish chastotasi mayatnik o'rniga mikroto'lqinli pechga to'g'ri keladi, uning aniqligi o'nlab million yillarni tashkil etadi, atigi 1 soniya farq qiladi. Aksincha, ko'rinadigan yorug'lik mikroto'lqinli tebranish chastotasidan 100,000 dan 1 million martagacha yuqori tebranish chastotasiga ega, ya'ni ko'rinadigan yorug'lik atom soatlariga qaraganda million marta yuqori aniqlikdagi aniq soatlarni yaratish uchun ishlatilishi mumkin. Hozirda laboratoriyada ko'rinadigan yorug'likdan foydalanadigan dunyodagi eng aniq soat muvaffaqiyatli qurildi.
Ushbu aniq soat yordamida Eynshteynning nisbiylik nazariyasini tekshirish mumkin. Biz laboratoriyada shunday aniq soat bo'lamiz, ikkinchisi pastki qavatdagi ofisda, yuzaga kelishi mumkin bo'lgan vaziyatni ko'rib chiqamiz, bir yoki ikki soatdan so'ng, Eynshteynning nisbiylik nazariyasi tomonidan bashorat qilingan natijalar, ikkita qatlam tufayli turli xil "tortishish maydoni" mavjud. ikki soat o'rtasida endi bir xil vaqtni ko'rsatmaydi, yuqori qavatdagi soatdan pastda joylashgan soat Pastki qavatdagi soat yuqori qavatdagi soatga qaraganda sekinroq harakatlanadi. Aniqroq soat bilan, ehtimol, hatto bilak va to'piqdagi soat ham o'sha kuni bir xil vaqtga ega bo'lmaydi. Biz aniq soatlar yordamida nisbiylik fanining maftunkorligini his qilishimiz mumkin.
Yorug'likni sekinlashtiruvchi texnologiya
1999-yilda AQShning Xubbart universiteti professori Rayner Xou yorug‘lik tezligini sekundiga 17 metrga, avtomobil yetib oladigan tezlikka, keyinroq esa hatto velosiped ham yetib oladigan tezlikka tushirishga muvaffaq bo‘ldi. Ushbu eksperiment fizikaning birinchi qatoridagi tadqiqotlarni o'z ichiga oladi va bu maqolada tajriba muvaffaqiyatining faqat ikkita kaliti keltirilgan. Ulardan biri mutlaq nolga yaqin (-273,15 daraja) juda past haroratlarda natriy atomlarining "bulutini" qurish, Bose-Eynshteyn kondensati deb nomlanuvchi maxsus gaz holati. Ikkinchisi tebranish chastotasini tartibga soluvchi va u bilan natriy atomlari bulutini nurlantiradigan lazer (boshqaruvchi lazer) bo'lib, natijada aql bovar qilmaydigan narsa sodir bo'ladi.
Avvalo, nazorat lazeri yordamida impulsli yorug'lik atomlar bulutida siqilib, haddan tashqari tezlikka sekinlashdi. Keyin nazorat lazeri yana porlaydi va impulsli yorug'lik tiklanadi va atom bulutidan chiqadi. Siqilgan impulslar keyin yana kengaytiriladi va tezlik tiklanadi. Impulsli yorug'lik ma'lumotlarini atom bulutiga kiritishning butun jarayoni kompyuterda o'qish, saqlash va qayta o'rnatishga o'xshaydi, shuning uchun bu usul kvant kompyuterlarini amalga oshirish uchun foydalidir.
"Femtosekund" dan "attosekund" dunyosiga
Femtosekundlar allaqachon bizning tasavvurimizdan tashqarida. Endi biz femtosekunddan ham qisqaroq bo'lgan "attosekund" olamiga kirib boryapmiz. A - Xalqaro birliklar tizimi (SI) atto so'zining qisqartmasi. 1 attosoniya=1 x 10^-18 soniya=1 femtosekundning mingdan bir qismi. Attosekund pulsni ko'rinadigan yorug'lik bilan amalga oshirib bo'lmaydi, chunki qisqaroq impulslar qisqaroq to'lqin uzunlikdagi yorug'lik bilan amalga oshirilishi kerak. Misol uchun, agar siz qizil ko'rinadigan yorug'lik bilan impuls yaratmoqchi bo'lsangiz, undan qisqaroq to'lqin uzunligi bilan impuls yaratish mumkin emas. Ko'rinadigan yorug'lik taxminan 2 femtosekundning chegarasidir va shuning uchun attosekund impulslari qisqaroq to'lqin uzunlikdagi rentgen nurlari yoki gamma nurlari bilan amalga oshiriladi. Attosekundli rentgen zarbasi yordamida kelajakda nima topish mumkinligi aniq emas. Masalan, biomolekulani ko'rish uchun attosekundlararo chaqnash yordamida uning faolligini juda qisqa vaqt oralig'ida kuzatish va, ehtimol, biomolekulaning tuzilishini aniqlash mumkin.