لیزر فمتوثانیه

A لیزر فمتوثانیهیک دستگاه تولید کننده "نور پالس فوق کوتاه" است که فقط برای مدت زمان فوق العاده کوتاه حدود یک گیگاثانیه نور ساطع می کند. Fei مخفف Femto، پیشوند سیستم بین المللی واحدها، و 1 femtosecond = 1×10^-15 ثانیه است. نور به اصطلاح پالسی فقط برای یک لحظه نور ساطع می کند. زمان تابش نور فلاش دوربین حدود 1 میکروثانیه است، بنابراین نور پالس فوق کوتاه فمتوثانیه فقط در حدود یک میلیاردم زمان خود نور ساطع می کند. همانطور که همه می دانیم سرعت نور 300000 کیلومتر در ثانیه (7 و نیم دایره دور زمین در 1 ثانیه) با سرعتی بی نظیر است، اما در 1 فمتوثانیه حتی نور فقط 0.3 میکرون پیش می رود.

اغلب، با عکاسی با فلاش می‌توانیم حالت لحظه‌ای یک جسم متحرک را قطع کنیم. به همین ترتیب، اگر یک لیزر فمتوثانیه فلش شود، می‌توان تک تک تکه‌های واکنش شیمیایی را حتی زمانی که با سرعت شدید پیش می‌رود، دید. برای این منظور می توان از لیزرهای فمتوثانیه برای بررسی معمای واکنش های شیمیایی استفاده کرد.
واکنش های شیمیایی عمومی پس از عبور از یک حالت میانی با انرژی بالا انجام می شود که اصطلاحاً به آن "حالت فعال" می گویند. وجود حالت فعال شده از نظر تئوری توسط شیمیدان آرنیوس در سال 1889 پیش بینی شده بود، اما نمی توان مستقیماً آن را مشاهده کرد زیرا برای مدت بسیار کوتاهی وجود دارد. اما وجود آن به طور مستقیم توسط لیزرهای فمتوثانیه در اواخر دهه 1980 نشان داده شد، نمونه ای از چگونگی شناسایی واکنش های شیمیایی با لیزرهای فمتوثانیه. به عنوان مثال، مولکول سیکلوپنتانون در حالت فعال به مونوکسید کربن و 2 مولکول اتیلن تجزیه می شود.
لیزرهای فمتوثانیه در حال حاضر در طیف گسترده ای از زمینه ها مانند فیزیک، شیمی، علوم زیستی، پزشکی و مهندسی، به ویژه در نور و الکترونیک استفاده می شود. این به این دلیل است که شدت نور می تواند حجم زیادی از اطلاعات را از یک مکان به مکان دیگر تقریباً بدون تلفات منتقل کند و باعث افزایش سرعت ارتباطات نوری شود. در زمینه فیزیک هسته‌ای، لیزرهای فمتوثانیه تأثیر زیادی داشته است. از آنجایی که نور پالسی دارای میدان الکتریکی بسیار قوی است، می‌توان الکترون‌ها را تا نزدیک به سرعت نور در عرض ۱ فمتوثانیه شتاب داد، بنابراین می‌توان از آن به عنوان یک «شتاب‌دهنده» برای شتاب‌دهنده الکترون‌ها استفاده کرد.

کاربرد در پزشکی
همانطور که در بالا ذکر شد، در دنیای فمتوثانیه حتی نور منجمد می شود به طوری که نمی تواند خیلی دور سفر کند، اما حتی در این مقیاس زمانی، اتم ها، مولکول های موجود در ماده و الکترون های درون تراشه های کامپیوتری همچنان در مدارها حرکت می کنند. اگر می توان از نبض فمتوثانیه برای توقف آنی آن استفاده کرد، بررسی کنید که چه اتفاقی می افتد. علاوه بر زمان توقف چشمک زن، لیزرهای فمتوثانیه می توانند سوراخ های ریزی را در فلزی به قطر 200 نانومتر (2/10000 میلی متر) ایجاد کنند. این بدان معنی است که نور پالسی فوق کوتاه که در مدت زمان کوتاهی فشرده و در داخل قفل می شود، به یک اثر شگفت انگیز خروجی فوق العاده بالا دست می یابد و آسیب اضافی به اطراف وارد نمی کند. علاوه بر این، نور پالسی لیزر فمتوثانیه می تواند تصاویر استریوسکوپی بسیار خوبی از اشیاء بگیرد. تصویربرداری استریوسکوپی در تشخیص پزشکی بسیار مفید است، بنابراین زمینه جدیدی از تحقیقات به نام توموگرافی تداخل نوری را باز می کند. این یک تصویر استریوسکوپی از بافت زنده و سلول های زنده است که با لیزر فمتوثانیه گرفته شده است. به عنوان مثال، یک پالس بسیار کوتاه نور به سمت پوست هدف قرار می گیرد، نور پالسی از سطح پوست منعکس می شود و بخشی از نور پالسی به پوست تزریق می شود. داخل پوست از لایه های زیادی تشکیل شده است و نور پالسی که وارد پوست می شود به صورت یک نور پالسی کوچک به عقب باز می گردد و ساختار داخلی پوست را می توان از پژواک این نورهای پالسی مختلف در نور بازتاب شده شناخت.
علاوه بر این، این فناوری کاربرد زیادی در چشم پزشکی دارد و قادر به گرفتن تصاویر استریوسکوپی از شبکیه در عمق چشم است. این به پزشکان اجازه می دهد تا تشخیص دهند که آیا مشکلی در بافت آنها وجود دارد یا خیر. این نوع معاینه به چشم محدود نمی شود. اگر لیزر با فیبر نوری به بدن فرستاده شود، می توان تمام بافت های اندام های مختلف بدن را بررسی کرد و حتی ممکن است بررسی شود که آیا در آینده سرطان شده است یا خیر.

پیاده سازی یک ساعت فوق دقیق
دانشمندان معتقدند که اگر الفلیزر فمتوثانیهساعت با استفاده از نور مرئی ساخته شده است، می تواند زمان را دقیق تر از ساعت های اتمی اندازه گیری کند و برای سال های آینده دقیق ترین ساعت جهان خواهد بود. اگر ساعت دقیق باشد، دقت GPS (سیستم موقعیت یاب جهانی) که برای ناوبری اتومبیل استفاده می شود نیز بسیار بهبود می یابد.
چرا نور مرئی می تواند یک ساعت دقیق بسازد؟ همه ساعت ها و ساعت ها از حرکت آونگ و چرخ دنده جدایی ناپذیرند و از طریق نوسان آونگ با فرکانس ارتعاش دقیق، چرخ دنده برای ثانیه ها می چرخد ​​و ساعت دقیق نیز از این قاعده مستثنی نیست. بنابراین برای ساخت ساعت دقیق تر، باید از آونگی با فرکانس ارتعاش بالاتر استفاده کرد. ساعت‌های کوارتز (ساعت‌هایی که به جای آونگ با کریستال‌ها نوسان می‌کنند) از ساعت‌های آونگی دقیق‌تر هستند، زیرا تشدیدگر کوارتز بارها در ثانیه نوسان می‌کند.
ساعت اتمی سزیم، که اکنون استاندارد زمانی است، با فرکانس حدود 9.2 گیگاهرتز (پیشوند واحد بین المللی گیگا، 1 گیگا = 10^9) نوسان می کند. ساعت اتمی از فرکانس نوسان طبیعی اتم های سزیم برای جایگزینی آونگ با امواج مایکروویو با همان فرکانس نوسانی استفاده می کند و دقت آن در ده ها میلیون سال تنها 1 ثانیه است. در مقابل، نور مرئی دارای فرکانس نوسانی 100000 تا 1000000 برابر بیشتر از امواج مایکروویو است، یعنی با استفاده از انرژی نور مرئی برای ایجاد ساعت دقیقی که میلیون ها برابر دقیق تر از ساعت های اتمی است. دقیق ترین ساعت جهان با استفاده از نور مرئی اکنون با موفقیت در آزمایشگاه ساخته شده است.
با کمک این ساعت دقیق، می توان نظریه نسبیت انیشتین را تأیید کرد. ما یکی از این ساعتهای دقیق را در آزمایشگاه و دیگری را در دفتر طبقه پایین قرار دادیم، با توجه به آنچه ممکن است اتفاق بیفتد، پس از یک یا دو ساعت، نتیجه همانطور که توسط نظریه نسبیت انیشتین پیش بینی شده بود، به دلیل وجود دو میدان گرانشی متفاوت بود. بین طبقات، دو ساعت دیگر به یک زمان اشاره نمی کنند، و ساعت پایین تر از طبقه بالا کندتر است. با یک ساعت دقیق تر، شاید حتی زمان روی مچ دست و مچ پا در آن روز متفاوت باشد. ما به سادگی می توانیم جادوی نسبیت را با کمک ساعت های دقیق تجربه کنیم.

فناوری کاهش سرعت نور
در سال 1999، پروفسور راینر هاو از دانشگاه هابارد در ایالات متحده با موفقیت سرعت نور را به 17 متر در ثانیه کاهش داد، سرعتی که یک خودرو می تواند به آن برسد، و سپس با موفقیت سرعت خود را به حدی کاهش داد که حتی یک دوچرخه نیز می تواند به آن برسد. این آزمایش شامل پیشرفته ترین تحقیقات در فیزیک است و این مقاله تنها دو کلید موفقیت آزمایش را معرفی می کند. یکی ساختن یک "ابر" از اتم های سدیم در دمای بسیار پایین نزدیک به صفر مطلق (273.15- درجه سانتیگراد)، حالت گاز خاصی به نام میعانات بوز-اینشتین. دیگری لیزری است که فرکانس ارتعاش را تعدیل می کند (لیزر برای کنترل) و ابری از اتم های سدیم را با آن تابش می کند و در نتیجه اتفاقات باورنکردنی رخ می دهد.
دانشمندان ابتدا از لیزر کنترلی برای فشرده سازی نور پالسی در ابر اتم ها استفاده می کنند و سرعت آن به شدت کاهش می یابد. در این زمان، لیزر کنترل خاموش می شود، نور پالسی ناپدید می شود و اطلاعات حمل شده بر روی نور پالسی در ابر اتم ها ذخیره می شود. . سپس با لیزر کنترلی تابش می شود، نور پالسی بازیابی می شود و از ابر اتم ها خارج می شود. بنابراین پالس فشرده شده اولیه دوباره کشیده می شود و سرعت بازیابی می شود. کل فرآیند وارد کردن اطلاعات نور پالسی به یک ابر اتمی شبیه به خواندن، ذخیره سازی و تنظیم مجدد در یک کامپیوتر است، بنابراین این فناوری برای تحقق کامپیوترهای کوانتومی مفید است.

جهان از "فمتوثانیه" تا "آتوثانیه"
فمتوثانیهفراتر از تصور ما هستند اکنون به دنیای آتوثانیه ها بازگشته ایم که کوتاه تر از فمتوثانیه ها هستند. A مخفف پیشوند SI atto است. 1 آتوثانیه = 1 × 10^-18 ثانیه = یک هزارم فمتوثانیه. پالس های آتوثانیه ای را نمی توان با نور مرئی ساخت زیرا باید از طول موج های کوتاه تر نور برای کوتاه کردن پالس استفاده کرد. به عنوان مثال، در مورد ایجاد پالس با نور مرئی قرمز، نمی توان پالس هایی کوتاه تر از آن طول موج ایجاد کرد. نور مرئی حدود 2 فمتوثانیه دارد که برای آن پالس های آتوثانیه از اشعه ایکس با طول موج کوتاه تر یا پرتوهای گاما استفاده می کنند. آنچه در آینده با استفاده از پالس های اشعه ایکس آتوثانیه کشف خواهد شد، مشخص نیست. برای مثال، استفاده از فلاش‌های آتوثانیه برای تجسم بیومولکول‌ها، ما را قادر می‌سازد تا فعالیت آنها را در مقیاس‌های زمانی بسیار کوتاه مشاهده کنیم و شاید ساختار مولکول‌های زیستی را مشخص کنیم.