Laser a femtosecondi

A laser a femtosecondiè un dispositivo generatore di "luce a impulsi ultracorti" che emette luce solo per un tempo ultrabreve di circa un gigasecondo. Fei è l'abbreviazione di Femto, il prefisso del Sistema Internazionale di Unità, e 1 femtosecond = 1×10^-15 secondi. La cosiddetta luce pulsata emette luce solo per un istante. Il tempo di emissione della luce del flash di una fotocamera è di circa 1 microsecondo, quindi la luce a impulsi ultra brevi di femtosecondi emette luce solo per circa un miliardesimo del suo tempo. Come tutti sappiamo, la velocità della luce è di 300.000 chilometri al secondo (7 cerchi e mezzo intorno alla terra in 1 secondo) a una velocità senza precedenti, ma in 1 femtosecondo anche la luce avanza solo di 0,3 micron.

Spesso, con la fotografia flash siamo in grado di eliminare lo stato momentaneo di un oggetto in movimento. Allo stesso modo, se viene lampeggiato un laser a femtosecondi, è possibile vedere ogni frammento della reazione chimica anche se procede a velocità violenta. A tal fine, i laser a femtosecondi possono essere utilizzati per studiare il mistero delle reazioni chimiche.
Le reazioni chimiche generali vengono eseguite dopo aver attraversato uno stato intermedio ad alta energia, il cosiddetto "stato attivato". L'esistenza di uno stato attivato è stata teoricamente prevista dal chimico Arrhenius già nel 1889, ma non può essere osservata direttamente perché esiste per un tempo molto breve. Ma la sua esistenza è stata dimostrata direttamente dai laser a femtosecondi alla fine degli anni '80, un esempio di come le reazioni chimiche possono essere individuate con i laser a femtosecondi. Ad esempio, la molecola di ciclopentanone viene decomposta in monossido di carbonio e 2 molecole di etilene dallo stato attivato.
I laser a femtosecondi sono ora utilizzati anche in un'ampia gamma di campi come fisica, chimica, scienze della vita, medicina e ingegneria, in particolare nella luce e nell'elettronica. Questo perché l'intensità della luce può trasmettere una grande quantità di informazioni da un luogo all'altro senza quasi nessuna perdita, accelerando ulteriormente la comunicazione ottica. Nel campo della fisica nucleare, i laser a femtosecondi hanno avuto un enorme impatto. Poiché la luce pulsata ha un campo elettrico molto forte, è possibile accelerare gli elettroni vicino alla velocità della luce entro 1 femtosecondo, quindi può essere utilizzata come "acceleratore" per accelerare gli elettroni.

Applicazione in medicina
Come accennato in precedenza, nel mondo dei femtosecondi anche la luce è congelata in modo che non possa viaggiare molto lontano, ma anche in questa scala temporale, atomi, molecole nella materia ed elettroni all'interno dei chip dei computer si muovono ancora nei circuiti. Se l'impulso del femtosecondo può essere utilizzato per interromperlo istantaneamente, studia cosa succede. Oltre al tempo di lampeggiamento per fermarsi, i laser a femtosecondi sono in grado di praticare minuscoli fori nel metallo fino a 200 nanometri (2/10.000 di millimetro) di diametro. Ciò significa che la luce pulsata ultra corta che viene compressa e bloccata all'interno in un breve periodo di tempo ottiene un effetto sorprendente di uscita ultra elevata e non causa ulteriori danni all'ambiente circostante. Inoltre, la luce pulsata del laser a femtosecondi può acquisire immagini stereoscopiche estremamente fini di oggetti. L'imaging stereoscopico è molto utile nella diagnosi medica, aprendo così un nuovo campo di ricerca chiamato tomografia ad interferenza ottica. Questa è un'immagine stereoscopica di tessuto vivente e cellule viventi scattata con un laser a femtosecondi. Ad esempio, un impulso di luce molto breve viene puntato sulla pelle, la luce pulsata viene riflessa dalla superficie della pelle e una parte della luce pulsata viene iniettata nella pelle. L'interno della pelle è composto da molti strati e la luce pulsata che entra nella pelle viene rimbalzata come una piccola luce pulsata e la struttura interna della pelle può essere nota dagli echi di queste varie luci pulsate nella luce riflessa.
Inoltre, questa tecnologia ha una grande utilità in oftalmologia, in grado di acquisire immagini stereoscopiche della retina in profondità nell'occhio. Ciò consente ai medici di diagnosticare se c'è un problema con i loro tessuti. Questo tipo di esame non si limita agli occhi. Se un laser viene inviato nel corpo con una fibra ottica, è possibile esaminare tutti i tessuti dei vari organi del corpo e potrebbe anche essere possibile verificare se in futuro è diventato un cancro.

Implementazione di un orologio ultra preciso
Gli scienziati ritengono che se alaser a femtosecondil'orologio è realizzato utilizzando la luce visibile, sarà in grado di misurare il tempo in modo più preciso rispetto agli orologi atomici e sarà l'orologio più preciso del mondo negli anni a venire. Se l'orologio è preciso, anche la precisione del GPS (Global Positioning System) utilizzato per la navigazione in auto è notevolmente migliorata.
Perché la luce visibile può creare un orologio preciso? Tutti gli orologi e gli orologi sono inseparabili dal movimento di un pendolo e di un ingranaggio, e attraverso l'oscillazione del pendolo con una precisa frequenza di vibrazione, l'ingranaggio ruota per secondi e un orologio preciso non fa eccezione. Pertanto, per realizzare un orologio più preciso, è necessario utilizzare un pendolo con una frequenza di vibrazione più elevata. Gli orologi al quarzo (orologi che oscillano con cristalli invece che con pendoli) sono più precisi degli orologi a pendolo perché il risonatore al quarzo oscilla più volte al secondo.
L'orologio atomico al cesio, che ora è lo standard temporale, oscilla a una frequenza di circa 9,2 gigahertz (il prefisso dell'unità internazionale giga, 1 giga = 10^9). L'orologio atomico utilizza la frequenza di oscillazione naturale degli atomi di cesio per sostituire il pendolo con microonde con la stessa frequenza di oscillazione e la sua precisione è di solo 1 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 a quella delle microonde, ovvero utilizzando l'energia della luce visibile per creare un orologio di precisione milioni di volte più accurato degli orologi atomici. L'orologio più preciso al mondo che utilizza la luce visibile è stato ora costruito con successo in laboratorio.
Con l'aiuto di questo preciso orologio, la teoria della relatività di Einstein può essere verificata. Mettiamo uno di questi precisi orologi in laboratorio e l'altro nell'ufficio al piano di sotto, considerando quello che potrebbe accadere, dopo un'ora o due, il risultato è stato come previsto dalla teoria della relatività di Einstein, a causa dei due Ci sono diversi "campi gravitazionali "tra i piani, i due orologi non indicano più la stessa ora, e l'orologio al piano di sotto è più lento di quello al piano di sopra. Con un orologio più preciso, forse anche l'ora del polso e della caviglia sarebbe diversa quel giorno. Possiamo semplicemente sperimentare la magia della relatività con l'aiuto di orologi accurati.

Tecnologia di rallentamento della velocità della luce
Nel 1999, il professor Rainer Howe della Hubbard University negli Stati Uniti ha decelerato con successo la luce a 17 metri al secondo, una velocità che un'auto può raggiungere, e poi ha rallentato con successo a un livello che anche una bicicletta può raggiungere. Questo esperimento coinvolge la ricerca più all'avanguardia nel campo della fisica e questo articolo introduce solo due chiavi per il successo dell'esperimento. Uno è costruire una "nuvola" di atomi di sodio a una temperatura estremamente bassa vicina allo zero assoluto (-273,15°C), uno stato gassoso speciale chiamato condensato di Bose-Einstein. L'altro è un laser che modula la frequenza vibrazionale (il laser per il controllo) e irradia con esso una nuvola di atomi di sodio e, di conseguenza, accadono cose incredibili.
Gli scienziati utilizzano prima il laser di controllo per comprimere la luce pulsata nella nuvola di atomi e la velocità è estremamente rallentata. In questo momento, il laser di controllo si spegne, la luce pulsata scompare e le informazioni trasportate dalla luce pulsata vengono memorizzate nella nuvola di atomi. . Quindi viene irradiato con un laser di controllo, la luce pulsata viene recuperata ed esce dalla nuvola di atomi. Quindi l'impulso originariamente compresso viene allungato di nuovo e la velocità viene ripristinata. L'intero processo di immissione delle informazioni sulla luce pulsata in una nuvola atomica è simile alla lettura, alla memorizzazione e al ripristino in un computer, quindi questa tecnologia è utile per la realizzazione di computer quantistici.

Il mondo da "femtosecond" ad "attosecond"
Femtosecondisono oltre la nostra immaginazione. Ora siamo tornati nel mondo degli attosecondi, che sono più brevi dei femtosecondi. A è l'abbreviazione del prefisso SI atto. 1 attosecondo = 1 × 10^-18 secondi = un millesimo di femtosecondo. Gli impulsi di attosecondi non possono essere realizzati con la luce visibile perché è necessario utilizzare lunghezze d'onda della luce più brevi per accorciare l'impulso. Ad esempio, nel caso di impulsi con luce visibile rossa, è impossibile produrre impulsi più brevi di quella lunghezza d'onda. La luce visibile ha un limite di circa 2 femtosecondi, per i quali gli impulsi ad attosecondi utilizzano raggi X o raggi gamma di lunghezza d'onda più corta. Ciò che verrà scoperto in futuro utilizzando impulsi di raggi X ad attosecondi non è chiaro. Ad esempio, l'uso di flash ad attosecondi per visualizzare le biomolecole ci consente di osservare la loro attività su scale temporali estremamente brevi e forse di individuare la struttura delle biomolecole.