Fonte dell'articolo: Osservazione del settore laser compilato da Internet Un laser a femtosecondi è un dispositivo di generazione di moli "ultra-corti" che emette luce per un tempo ultra-short di solo circa un trilionario di secondo. Fei è l'abbreviazione del prefisso femto nel sistema internazionale delle unità e 1 femtosecondo = 1 × 10^-15 secondi. La cosiddetta luce di impulso emette la luce solo per un momento. Il tempo di emissione della luce del flash di una fotocamera è di circa 1 microsecondo, quindi la luce di impulsi ultra-corti femtosecondi ha solo circa un miliardo del suo tempo per emettere luce. Come tutti sappiamo, la velocità della luce vola a una velocità senza pari di 300.000 chilometri al secondo (che circonda la Terra sette volte e mezzo in un secondo). Tuttavia, in un femtosecondo, la luce avanza solo 0,3 micron.
Di solito, utilizziamo la fotografia flash per catturare lo stato istantaneo degli oggetti in movimento. Allo stesso modo, se si utilizza un laser femtosecondo per lampeggiare, è possibile vedere ogni frammento di una reazione chimica che si verifica a una velocità violenta. Per fare ciò, i laser femtosecondi possono essere usati per studiare i misteri delle reazioni chimiche.
Le reazioni chimiche generali procedono dopo aver attraversato uno stato intermedio con alta energia, il cosiddetto "stato attivato". L'esistenza dello stato attivato era teoricamente prevista dal chimico Arrhenius già nel 1889, ma poiché esisteva per un momento molto breve, non si poteva osservare direttamente. Ma la sua esistenza è stata dimostrata direttamente alla fine degli anni '80 dai laser femtosecondi, un esempio di utilizzo di laser femtosecondi per individuare le reazioni chimiche. Ad esempio, la molecola di ciclopentanone si decompone in monossido di carbonio e 2 molecole di etilene nello stato attivato.
Al giorno d'oggi, i laser femtosecondi sono anche usati in una vasta gamma di campi come fisica, chimica, scienze della vita, medicina e ingegneria. In particolare, la combinazione di luce ed elettronica dovrebbe aprire varie nuove possibilità nei settori di comunicazioni, computer ed energia. Questo perché l'intensità della luce può trasmettere grandi quantità di informazioni da un luogo all'altro senza alcuna perdita, rendendo le comunicazioni ottiche ancora più veloci. Nel campo della fisica nucleare, i laser femtosecondi hanno avuto un impatto enorme. Poiché la luce pulsata ha un campo elettrico molto forte, è possibile accelerare gli elettroni per chiudere la velocità della luce all'interno di 1 femtosecondo, quindi può essere usato come "acceleratore" per accelerare gli elettroni.
Applicazione in medicina Come accennato in precedenza, nel mondo all'interno delle femtosecondi, anche la luce è congelata e non può muoversi molto lontano, ma anche su questa scala temporale, atomi e molecole nella materia e gli elettroni all'interno dei chip del computer si stanno ancora muovendo all'interno del circuito. Se usi un impulso di femtosecondi puoi fermarlo all'istante e studiare cosa succede. Oltre a lampeggiare per fermare il tempo, i laser femtosecondi possono anche perforare microhole in metallo con un diametro di piccoli nanometri (due dieci millesimi di millimetro). Ciò significa che la luce a impulsi ultra-corti che viene compressa e bloccata all'interno in un breve periodo di tempo raggiunge un incredibile effetto della produzione ultra-alta senza causare ulteriori danni all'ambiente circostante. Inoltre, la luce pulsata dei laser femtosecondi può catturare immagini tridimensionali di oggetti in dettaglio estremamente fine. La fotografia di immagine stereoscopica è molto utile nella diagnosi medica, aprendo così un nuovo campo di ricerca chiamato tomografia a interferenza ottica. Questa è un'immagine tridimensionale di tessuto vivente e cellule viventi catturate usando un laser femtosecondo. Ad esempio, un impulso di luce molto corto è diretto sulla pelle. La luce del polso viene riflessa sulla superficie della pelle e parte della luce del polso viene emessa nella pelle. L'interno della pelle è composto da molti strati. La luce del polso che entra nella pelle è rimbalzata come una piccola luce a polso. Dagli echi di queste varie luci di impulso nella luce riflessa, si può conoscere la struttura interna della pelle.
Inoltre, questa tecnologia ha una grande praticità nella medicina oftalmica, in grado di catturare immagini tridimensionali della retina nel profondo degli occhi. Ciò consente ai medici di diagnosticare problemi con i loro tessuti. Questo tipo di esame non è limitato agli occhi. Se un laser viene inviato nel corpo usando la fibra ottica, può esaminare tutti i tessuti di vari organi del corpo. In futuro, potrebbe anche essere possibile rilevare se si è trasformato in cancro.
Realizzare orologi ultra-precise Gli scienziati ritengono che se la luce visibile viene utilizzata per realizzare un orologio laser femtosecondo, sarà in grado di misurare il tempo in modo più preciso di un orologio atomico e fungerà da orologio più accurato del mondo nei prossimi anni. Se l'orologio è accurato, migliora notevolmente anche l'accuratezza del GPS (sistema di posizionamento globale) utilizzato per la navigazione automobilistica.
Perché la luce visibile può creare un orologio accurato? Tutti gli orologi e gli orologi sono indispensabili per il movimento di pendoli e ingranaggi. Attraverso l'oscillazione di un pendolo con una frequenza di vibrazione precisa, gli ingranaggi ruotano per secondi e gli orologi accurati non fanno eccezione. Pertanto, per creare un orologio più accurato, è necessario utilizzare un pendolo con una frequenza di vibrazione più elevata. Gli orologi al quarzo (orologi che usano l'oscillazione cristallina anziché un pendolo) sono più accurati degli orologi a pendolo perché il risonatore al quarzo oscilla più volte al secondo.
L'orologio atomico di Cesio attualmente utilizzato come standard di tempo ha una frequenza di oscillazione di circa 9,2 Gigahertz (il prefisso dell'unità internazionale di Gigahertz, 1 Gigahertz = 10^9). L'orologio atomico utilizza la frequenza di oscillazione naturale degli atomi di cesio e sostituisce il pendolo con microonde la cui frequenza di oscillazione è coerente. La sua precisione è solo un secondo in decine di milioni di anni. Al contrario, la luce visibile ha una frequenza di oscillazione da 100.000 a 1.000.000 di volte superiore alla frequenza di oscillazione a microonde. Cioè, l'energia della luce visibile può essere utilizzata per creare orologi di precisione che sono milioni di volte più accurati degli orologi atomici. L'orologio più accurato del mondo che utilizza la luce visibile è stato ora costruito con successo in un laboratorio.
La teoria della relatività di Einstein può essere verificata con l'aiuto di questo orologio preciso. Abbiamo inserito uno di questi orologi accurati nel laboratorio e l'altro in ufficio al piano di sotto e considerato possibili situazioni. Dopo una o due ore, il risultato è stato previsto dalla teoria della relatività di Einstein. A causa dei due ci sono diversi "campi gravitazionali" tra i pavimenti, quindi i due orologi non puntano più allo stesso tempo e l'orologio al piano di sotto si rallegra più lentamente dell'orologio al piano di sopra. Se fosse usato un orologio più accurato, forse anche gli orologi indossati sul polso e sulla caviglia avrebbero detto volte diverse quel giorno. Possiamo semplicemente sperimentare il fascino della relatività con l'aiuto di orologi accurati.
La velocità della luce rallenta la tecnologia Nel 1999, il professor Rainer Howe della Hubbard University negli Stati Uniti ha rallentato con successo la luce a 17 metri al secondo, una velocità con cui le auto possono recuperare il ritardo e quindi ha rallentato con successo la luce a una velocità che persino le biciclette possono recuperare. Questo esperimento prevede la ricerca più all'avanguardia in fisica. Questo articolo introduce solo due chiavi per il successo dell'esperimento. Uno è quello di costruire una "nuvola" di atomi di sodio estremamente a bassa temperatura vicini allo zero assoluto (-273,15 ° C), uno stato di gas speciale chiamato condensa di Bose-Einstein. L'altro è un laser che regola la frequenza di vibrazione (laser di controllo) e la usa per illuminare una nuvola di atomi di sodio e succede qualcosa di incredibile.
Gli scienziati usano prima un laser di controllo per comprimere la luce del polso nella nuvola di atomi e rallentarlo estremamente. Quindi spegnano il laser di controllo e la luce del polso scompare. Le informazioni trasportate sulla luce del polso sono immagazzinate nella nuvola di atomi. . Quindi è irradiato con un laser controllato e la luce del polso viene ripristinata e esce dalla nuvola di atomi. Di conseguenza, l'impulso originariamente compresso viene nuovamente ampliato e la velocità viene ripristinata. L'intero processo di inserimento di informazioni sulla luce pulsata nella nuvola atomica è molto simile alla lettura, alla memorizzazione e al ripristino in un computer. Pertanto, questa tecnologia può aiutare a realizzare la realizzazione dei computer quantistici.
Dal mondo di "femtosecondo" ad "Attosecondo" Le femtosecondi sono oltre la nostra immaginazione. Ora ci stiamo avventurando nel mondo di Attosecondi, che sono più brevi dei femtosecondi. AH è l'abbreviazione del prefisso "ATTO" del sistema internazionale di unità. 1 Attosecondo = 1 × 10^-18 secondi = un millesimo di un femtosecondo. Gli impulsi di Attosecondo non possono essere realizzati con luce visibile perché l'accorciamento degli impulsi richiede l'uso di luce a lunghezza d'onda più corta. Ad esempio, se si desidera creare un impulso usando la luce visibile rossa, è impossibile creare un impulso più corto di quella lunghezza d'onda. La luce visibile ha un limite di circa 2 femtosecondi, quindi gli impulsi di attosecondi usano raggi X o gamma raggi con lunghezze d'onda più brevi. Non è chiaro cosa verrà scoperto in futuro usando gli impulsi a raggi X Attosecondi. Ad esempio, l'uso di flash di Attosecondo per visualizzare le biomolecole ci consente di osservare le loro attività su una scala temporale molto breve e forse identificare la struttura delle biomolecole.
