Фемтосекундтық лазер

A фемтосекундтық лазершамамен бір гигасекундтық ультра қысқа уақыт ішінде ғана жарық шығаратын "ультра қысқа импульстік жарықты" генерациялайтын құрылғы. Fei - халықаралық бірліктер жүйесінің префиксі Femto сөзінің аббревиатурасы және 1 фемтосекунд = 1×10^-15 секунд. Импульстік жарық деп аталатын жарық бір сәтке ғана жарық шығарады. Камера жарқылының жарық шығару уақыты шамамен 1 микросекунд, сондықтан фемтосекундтың ультра қысқа импульстік жарығы өз уақытының миллиардтан бір бөлігін ғана жарық шығарады. Бәрімізге белгілі, жарық жылдамдығы секундына 300 000 шақырымды құрайды (1 секундта жерді 7 жарым шеңберді айналып өтеді) теңдесі жоқ жылдамдықпен, бірақ 1 фемтосекундта жарықтың өзі 0,3 микронға ғана алға жылжиды.

Көбінесе флэш-фотосурет арқылы біз қозғалатын нысанның бір сәттік күйін қиып аламыз. Сол сияқты, егер фемтосекундтық лазер жарқ етсе, химиялық реакцияның әрбір фрагментін оның қатты жылдамдықпен жүріп жатқанын көруге болады. Осы мақсатта фемтосекундтық лазерлерді химиялық реакциялардың құпиясын зерттеу үшін пайдалануға болады.
Жалпы химиялық реакциялар «белсендірілген күй» деп аталатын энергиясы жоғары аралық күйден өткеннен кейін жүзеге асады. Белсендірілген күйдің болуын 1889 жылы химик Аррениус теориялық түрде болжаған, бірақ оны тікелей байқау мүмкін емес, өйткені ол өте қысқа уақыт ішінде бар. Бірақ оның бар болуы 1980 жылдардың аяғында фемтосекундтық лазерлермен тікелей көрсетілді, бұл химиялық реакцияларды фемтосекундтық лазерлермен қалай анықтауға болатынының мысалы. Мысалы, циклопентанон молекуласы белсендірілген күйде көміртегі тотығына және 2 этилен молекуласына ыдырайды.
Фемтосекундтық лазерлер қазір физика, химия, өмір туралы ғылымдар, медицина және инженерия сияқты көптеген салаларда, әсіресе жарық пен электроникада қолданылады. Себебі жарықтың қарқындылығы оптикалық байланысты одан әрі жылдамдата отырып, үлкен көлемдегі ақпаратты бір жерден екінші жерге жоғалтпай дерлік жібере алады. Ядролық физика саласында фемтосекундтық лазерлер үлкен әсер етті. Импульсті жарық өте күшті электр өрісіне ие болғандықтан, электрондарды 1 фемтосекунд ішінде жарық жылдамдығына жақындатуға болады, сондықтан оны электрондарды жеделдету үшін «үдеткіш» ретінде пайдалануға болады.

Медицинада қолданылуы
Жоғарыда айтылғандай, фемтосекунд әлемінде тіпті жарық өте алыс жүре алмайтындай етіп қатып қалады, бірақ бұл уақытта масштабта атомдар, заттағы молекулалар және компьютер микросхемаларының ішіндегі электрондар әлі де тізбектерде қозғалады. Егер фемтосекундтық импульс оны бірден тоқтату үшін қолданылса, не болатынын зерттеңіз. Тоқтау үшін жыпылықтау уақытынан басқа, фемтосекундтық лазерлер диаметрі 200 нанометр (миллиметрдің 2/10 000 бөлігі) металлда кішкентай тесіктерді бұрғылай алады. Бұл қысқа уақыт ішінде сығылған және ішіне құлыпталған ультра қысқа импульстік жарық ультра жоғары өнімділіктің таңғажайып әсеріне қол жеткізетінін және қоршаған ортаға қосымша зақым келтірмейтінін білдіреді. Сонымен қатар, фемтосекундтық лазердің импульстік жарығы объектілердің өте жақсы стереоскопиялық кескіндерін ала алады. Стереоскопиялық бейнелеу медициналық диагностикада өте пайдалы, осылайша оптикалық интерференциялық томография деп аталатын жаңа зерттеу саласын ашады. Бұл фемтосекундтық лазермен түсірілген тірі ұлпалар мен тірі жасушалардың стереоскопиялық бейнесі. Мысалы, жарықтың өте қысқа импульсі теріге бағытталған, импульстік сәуле тері бетінен шағылысып, импульстік сәуленің бір бөлігі теріге енгізіледі. Терінің ішкі жағы көптеген қабаттардан тұрады, ал теріге енген импульстік сәуле кішігірім импульсті жарық ретінде кері серпіледі және терінің ішкі құрылымын осы әртүрлі импульстік сәулелердің шағылысқан жарықтағы жаңғырығынан білуге ​​болады.
Сонымен қатар, бұл технологияның офтальмологияда үлкен пайдасы бар, ол көздің тереңдегі торлы қабығының стереоскопиялық кескіндерін алуға қабілетті. Бұл дәрігерлерге олардың тінінде ақау бар-жоғын анықтауға мүмкіндік береді. Тексерудің бұл түрі тек көзге ғана қатысты емес. Оптикалық талшықпен денеге лазер жіберілсе, денедегі әртүрлі мүшелердің барлық тіндерін тексеруге болады, тіпті болашақта оның қатерлі ісікке айналғанын тексеруге болады.

Өте дәл сағатты енгізу
Ғалымдардың пайымдауынша, егер афемтосекундтық лазерсағат көрінетін жарық арқылы жасалған, ол атомдық сағаттарға қарағанда уақытты дәлірек өлшей алады және ол алдағы жылдардағы әлемдегі ең дәл сағат болады. Егер сағат дәл болса, автомобильді навигациялау үшін қолданылатын GPS (Global Positioning System) дәлдігі де айтарлықтай жақсарады.
Неліктен көрінетін жарық дәл сағатты жасай алады? Барлық сағаттар мен сағаттар маятник пен тісті доңғалақтың қозғалысынан ажырағысыз және дәл тербеліс жиілігі бар маятниктің тербелісі арқылы беріліс секундтар бойы айналады, ал дәл сағат ерекшелік емес. Сондықтан дәлірек сағат жасау үшін тербеліс жиілігі жоғары маятникті пайдалану қажет. Кварц сағаттары (маятниктердің орнына кристалдармен тербелетін сағаттар) маятникті сағаттарға қарағанда дәлірек, өйткені кварц резонаторы секундына көбірек тербеледі.
Қазіргі уақытта уақыт стандарты болып табылатын цезий атомдық сағаты шамамен 9,2 гигагерц жиілікте тербеледі (халықаралық гига бірлігінің префиксі, 1 гига = 10^9). Атомдық сағат маятникті тербеліс жиілігі бірдей микротолқындармен ауыстыру үшін цезий атомдарының табиғи тербеліс жиілігін пайдаланады және оның дәлдігі ондаған миллион жылдардағы 1 секундты ғана құрайды. Керісінше, көрінетін жарықтың тербеліс жиілігі микротолқындарға қарағанда 100 000-нан 1 000 000 есе жоғары, яғни атом сағаттарынан миллиондаған есе дәлірек сағатты жасау үшін көрінетін жарық энергиясын пайдаланады. Көрінетін жарықты пайдаланатын әлемдегі ең дәл сағат зертханада сәтті жасалды.
Осы дәл сағаттың көмегімен Эйнштейннің салыстырмалылық теориясын тексеруге болады. Біз осы нақты сағаттардың бірін зертханаға, екіншісін төменгі кеңсеге қойдық, не болуы мүмкін екенін ескере отырып, бір-екі сағаттан кейін нәтиже Эйнштейннің салыстырмалылық теориясы болжағандай болды, өйткені екі түрлі «гравитациялық өрістер бар. « қабаттар арасында екі сағат енді бір уақытты көрсетпейді, ал төменгі қабаттағы сағат жоғарғы қабаттағы сағатқа қарағанда баяу жұмыс істейді. Дәлірек сағат болса, тіпті сол күні білек пен тобықтағы уақыт басқаша болар еді. Біз дәл сағаттардың көмегімен салыстырмалылық сиқырын жай ғана сезіне аламыз.

Жарық жылдамдығын төмендету технологиясы
1999 жылы Америка Құрама Штаттарының Хаббард университетінің профессоры Райнер Хоу жарықтың жылдамдығын секундына 17 метрге дейін баяулатты, бұл жылдамдықты автомобиль қуып жете алады, содан кейін тіпті велосипед те жететін деңгейге дейін сәтті төмендетті. Бұл эксперимент физикадағы ең озық зерттеулерді қамтиды және бұл мақала эксперименттің сәттілігінің екі кілтін ғана ұсынады. Олардың бірі абсолютті нөлге жақын (-273,15°C) өте төмен температурада натрий атомдарының «бұлтын» құру, Бозе-Эйнштейн конденсаты деп аталатын ерекше газ күйі. Екіншісі - тербеліс жиілігін модуляциялайтын лазер (басқару үшін лазер) және онымен натрий атомдарының бұлтын сәулелендіреді, нәтижесінде керемет нәрселер орын алады.
Ғалымдар алдымен атомдар бұлтындағы импульстік жарықты сығу үшін басқару лазерін қолданады және жылдамдық өте баяулайды. Бұл кезде басқару лазері өшеді, импульстік жарық жоғалады және импульстік жарықта тасымалданатын ақпарат атомдар бұлтында сақталады. . Содан кейін ол бақылау лазерімен сәулеленеді, импульстік жарық қалпына келтіріледі және ол атомдар бұлтынан шығады. Осылайша бастапқыда сығылған импульс қайтадан созылып, жылдамдық қалпына келеді. Импульстік жарық ақпаратын атомдық бұлтқа енгізудің бүкіл процесі компьютерде оқуға, сақтауға және қалпына келтіруге ұқсас, сондықтан бұл технология кванттық компьютерлерді жүзеге асыру үшін пайдалы.

«Фемтосекундтан» «аттосекундқа» дейінгі әлем
Фемтосекундтарбіздің қиялымыздан тыс. Енді біз аттосекундтар әлеміне қайта оралдық, олар фемтосекундтардан қысқа. A — SI префиксінің atto аббревиатурасы. 1 аттосекунд = 1 × 10^-18 секунд = фемтосекундтың мыңнан бір бөлігі. Аттосекундтық импульстарды көрінетін жарықпен жасау мүмкін емес, өйткені импульсті қысқарту үшін жарықтың қысқа толқын ұзындығын пайдалану керек. Мысалы, қызыл көрінетін жарықпен импульстар жасаған жағдайда, импульстарды сол толқын ұзындығынан қысқа етіп жасау мүмкін емес. Көрінетін жарықтың шамамен 2 фемтосекунд шегі бар, ол үшін аттосекундтық импульстар қысқарақ толқын ұзындығы рентген сәулелерін немесе гамма сәулелерін пайдаланады. Аттосекундтық рентгендік импульстарды қолдану арқылы болашақта не ашылатыны белгісіз. Мысалы, биомолекулаларды визуализациялау үшін аттосекундтық жыпылықтауды пайдалану олардың белсенділігін өте қысқа уақыт ауқымында байқауға және мүмкін, биомолекулалардың құрылымын дәл анықтауға мүмкіндік береді.