Artikelquelle: Laserindustriebeobachtung aus dem Internet zusammengestellt Ein Femtosekundenlaser ist ein "Ultra-Short Pulse Light" -Gerzeugungsgerät, das Licht für eine ultra-kurze Zeit von nur etwa einer Billionsth. FEI ist die Abkürzung des Präfix-Femtos im internationalen Einheitensystem und 1 Femtosekunden = 1 × 10^-15 Sekunden. Das sogenannte Pulslicht gibt nur für einen Moment Licht aus. Die Lichtemissionszeit des Blitzes einer Kamera beträgt ungefähr 1 Mikrosekunde, sodass das Ultra-Short-Impulslicht in Femtosekunde nur etwa eine Milliardstel seiner Zeit zum Ausgeben von Licht hat. Wie wir alle wissen, fliegt die Lichtgeschwindigkeit mit einer beispiellosen Geschwindigkeit von 300.000 Kilometern pro Sekunde (siebeneinhalb Mal in einer Sekunde um die Erde umkreisen). In einer Femtosekunde steigt das Licht jedoch nur 0,3 Mikrometer vor.
Normalerweise verwenden wir Flash -Fotografie, um den momentanen Zustand beweglicher Objekte zu erfassen. Wenn Sie einen Femtosekundenlaser verwenden, um zu blinken, ist es möglich, jedes Fragment einer chemischen Reaktion zu sehen, die bei gewalttätiger Geschwindigkeit auftritt. Zu diesem Zweck können Femtosekundenlaser verwendet werden, um die Geheimnisse chemischer Reaktionen zu untersuchen.
Allgemeine chemische Reaktionen gehen nach dem Durchlaufen eines Zwischenzustands mit hoher Energie, dem sogenannten "aktivierten Zustand" durch. Die Existenz des aktivierten Zustands wurde vom Chemiker Arrhenius bereits 1889 theoretisch vorhergesagt, aber weil es für einen sehr kurzen Moment existierte, konnte er nicht direkt beobachtet werden. Seine Existenz wurde jedoch in den späten 1980er Jahren von Femtosekundenlasern direkt demonstriert, ein Beispiel für die Verwendung von Femtosekundenlasern, um chemische Reaktionen zu bestimmen. Zum Beispiel zersetzt sich das Cyclopentanonmolekül in Kohlenmonoxid und 2 Ethylenmoleküle im aktivierten Zustand.
Heutzutage werden Femtosekundenlaser auch in einer Vielzahl von Bereichen wie Physik, Chemie, Biowissenschaften, Medizin und Ingenieurwesen verwendet. Insbesondere wird erwartet, dass die Kombination aus Licht und Elektronik verschiedene neue Möglichkeiten in den Bereichen Kommunikation, Computer und Energie eröffnet. Dies liegt daran, dass die Lichtintensität große Mengen an Informationen von einem Ort mit fast ohne Verlust übertragen kann, was die optische Kommunikation noch schneller macht. Auf dem Gebiet der Kernphysik haben Femtosekundenlaser einen großen Einfluss gemacht. Da gepulste Licht ein sehr starkes elektrisches Feld hat, ist es möglich, die Elektronen in 1 Femtosekunde in die Nähe der Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen, sodass es als "Beschleuniger" verwendet werden kann, um Elektronen zu beschleunigen.
Anwendung in der Medizin Wie oben erwähnt, ist in der Welt innerhalb der Femtosekunden sogar Licht eingefroren und kann sich nicht sehr weit bewegen, aber selbst in dieser Zeitskala bewegen sich Atome und Moleküle in Materie und Elektronen in Computer -Chips immer noch innerhalb der Schaltung. Wenn Sie einen Femtosekundenpuls verwenden, können Sie ihn sofort stoppen und studieren, was passiert. Femtosekunden -Laser können nicht nur die Zeit blinken, sondern können auch Mikrolöcher in Metall mit einem Durchmesser von nur 200 Nanometern (zwei zehntausendste Millimeter) bohren. Dies bedeutet, dass das ultra-kurze Impulslicht, das in kurzer Zeit komprimiert und innen gesperrt ist, einen erstaunlichen Effekt der ultrahohen Ausgabe erzielt, ohne zusätzliche Schäden an der Umgebung zu verursachen. Darüber hinaus kann das gepulste Licht der Femtosekundenlaser dreidimensionale Bilder von Objekten in extrem feinem Detail aufnehmen. Die stereoskopische Bildfotografie ist bei der medizinischen Diagnose sehr nützlich und eröffnet somit ein neues Forschungsfeld namens optische Interferenztomographie. Dies ist ein dreidimensionales Bild lebender Gewebe und lebenden Zellen, die mit einem Femtosekundenlaser erfasst wurden. Zum Beispiel ist ein sehr kurzer Lichtpuls auf die Haut gerichtet. Das Pulslicht wird auf der Hautoberfläche reflektiert, und ein Teil des Pulslichts wird in die Haut emittiert. Das Innere der Haut besteht aus vielen Schichten. Das Pulslicht, das in die Haut eindringt, wird als kleines Pulslicht zurückgeprallt. Aus den Echos dieser verschiedenen Pulslichter im reflektierten Licht kann die innere Struktur der Haut bekannt sein.
Darüber hinaus hat diese Technologie eine große Praktikabilität in der Augenmedizin, die dreidimensionale Bilder der Retina tief im Auge aufnehmen kann. Auf diese Weise können Ärzte Probleme mit ihren Geweben diagnostizieren. Diese Art der Untersuchung ist nicht auf die Augen beschränkt. Wenn ein Laser mit optischer Faser in den Körper geschickt wird, kann er alle Gewebe verschiedener Organe im Körper untersuchen. In Zukunft könnte es sogar möglich sein, festzustellen, ob es sich zu Krebs verwandelt hat.
Ultra-pecise-Uhren realisieren Wissenschaftler glauben, dass es in der Lage sein wird, die Zeit genauer zu messen als eine Atomuhr und in den nächsten Jahren als die weltweit genaueste Uhr der Welt dienen, wenn sie zur Herstellung einer Femtosekunden -Laseruhr verwendet wird. Wenn die Uhr korrekt ist, verbessert sie auch die Genauigkeit des GPS (Global Positioning System), das für die Autonavigation verwendet wird, erheblich.
Warum kann sichtbares Licht eine genaue Uhr machen? Alle Uhren und Uhren sind für die Bewegung von Pendel und Zahnrädern unverzichtbar. Durch die Schwung eines Pendels mit einer präzisen Schwingungsfrequenz drehen sich die Zahnräder für Sekunden und genaue Uhren sind keine Ausnahme. Um eine genauere Uhr zu erstellen, muss ein Pendel mit einer höheren Schwingungsfrequenz verwendet werden. Quarzuhren (Uhren, die eine Kristallschwingung anstelle eines Pendels verwenden) sind genauer als Pendeluhren, da der Quarzresonator mehrmals pro Sekunde schwingt.
Die derzeit als Zeitstandard verwendete Cäsiumatomuhr hat eine Schwingungsfrequenz von etwa 9,2 Gigahertz (das Präfix der internationalen Einheit von Gigahertz, 1 Gigahertz = 10^9). Die Atomuhr verwendet die natürliche Schwingungsfrequenz von Cäsiumatomen und ersetzt das Pendel durch Mikrowellen, deren Schwingungsfrequenz konsistent ist. Seine Genauigkeit beträgt nur eine Sekunde in zehn Millionen Jahren. Im Gegensatz dazu weist sichtbares Licht eine Oszillationsfrequenz auf, die 100.000 bis 1.000.000 -mal höher ist als die Mikrowellenschwingungsfrequenz. Das heißt, sichtbare Lichtenergie kann verwendet werden, um Präzisionsuhren zu erzeugen, die Millionen von Zeiten genauer sind als Atomuhren. Die genaueste Uhr der Welt, die sichtbares Licht verwendet, wurde jetzt erfolgreich in einem Labor eingebaut.
Einsteins Relativitätstheorie kann mit Hilfe dieser genauen Uhr überprüft werden. Wir haben eine solche genaue Uhr im Labor und die andere im Büro unten aufgestellt und mögliche Situationen betrachteten. Nach ein oder zwei Stunden wurde das Ergebnis gemäß Einsteins Relativitätstheorie vorhergesagt. Aufgrund der beiden gibt es zwischen den Böden unterschiedliche "Gravitationsfelder", sodass die beiden Uhren nicht mehr auf die gleiche Zeit verweisen, und die Uhr unten läuft langsamer als die Uhr oben. Wenn eine genauere Uhr verwendet würde, würden vielleicht sogar die Uhren, die am Handgelenk und am Knöchel getragen werden, an diesem Tag unterschiedliche Zeiten erkennen. Mit Hilfe genauer Uhren können wir einfach den Charme der Relativitätstheorie erleben.
Leichte Geschwindigkeit verlangsamt die Technologie 1999 verlangsamte Professor Rainer Howe von der Hubbard University in den USA erfolgreich das Licht auf 17 Meter pro Sekunde. Eine Geschwindigkeit, die Autos einholen können, und dann erfolgreich das Licht auf eine Geschwindigkeit verlangsamte, die sogar Fahrräder einholen können. Dieses Experiment beinhaltet die modernste Forschung in der Physik. In diesem Artikel wird nur zwei Schlüssel zum Erfolg des Experiments eingeführt. Eines besteht darin, eine "Wolke" extrem niedriger Temperatur-Natriumatome nahe der absoluten Null (-273,15 ° C) zu bauen, einem speziellen Gaszustand, der als Bose-Einstein-Kondensat bezeichnet wird. Der andere ist ein Laser, der die Schwingungsfrequenz (Kontrolllaser) anpasst und sie verwendet, um eine Wolke von Natriumatomen zu beleuchten, und etwas Unglaubliches passiert.
Wissenschaftler verwenden zunächst einen Kontrolllaser, um das Impulslicht in der Atomewolke zu komprimieren und es extrem zu verlangsamen. Dann schalten sie den Kontrolllaser aus und das Pulslicht verschwindet. Die Informationen, die über das Pulslicht befördert werden, werden in der Atomewolke gespeichert. . Dann wird es mit einem kontrollierten Laser bestrahlt, und das Pulslicht wird wiederhergestellt und geht aus der Atomewolke. Infolgedessen wird der ursprünglich komprimierte Impuls erneut erweitert und die Geschwindigkeit wiederhergestellt. Der gesamte Prozess der Eingabe von gepulsten Lichtinformationen in die Atomwolke ist dem Lesen, Speichern und Zurücksetzen in einem Computer sehr ähnlich. Daher kann diese Technologie dazu beitragen, die Realisierung von Quantencomputern zu verwirklichen.
Von der Welt der "Femtosekunden" bis zur "Attosekunden" " Femtosekunden sind jenseits unserer Vorstellungskraft. Jetzt wagen wir uns in die Welt der Attosekunden, die kürzer sind als Femtosekunden. AH ist die Abkürzung des Präfix "Atto" des internationalen Einheitensystems. 1 Attosekunden = 1 × 10^-18 Sekunden = Eintausendstel einer Femtosekunde. Attosekundenimpulse können nicht mit sichtbarem Licht hergestellt werden, da die Verkürzung der Impulse kürzere Wellenlängenlicht erfordert. Wenn Sie beispielsweise einen Impuls mit rotes sichtbarem Licht erstellen möchten, ist es unmöglich, einen Impuls zu erstellen, der kürzer als diese Wellenlänge ist. Sichtbares Licht hat eine Grenze von etwa 2 Femtosekunden, sodass Attosekundenimpulse Röntgenstrahlen oder Gammastrahlen mit kürzeren Wellenlängen verwenden. Es ist unklar, was in Zukunft mit Attosekunden-Röntgenimpulsen entdeckt wird. Mithilfe von Attosekundenblitzen zur Visualisierung von Biomolekülen können wir beispielsweise ihre Aktivitäten in einer sehr kurzen Zeit beobachten und möglicherweise die Struktur von Biomolekülen identifizieren.
