Aplikácia femtosekundových laserov

Femtosekundové lasery sú zariadenia generujúce „ultrakrátke pulzné svetlo“, ktoré vyžarujú svetlo na ultrakrátku dobu, len asi jeden gigabit sekundy. Femto je skratka medzinárodného systému jednotiek femto (femto), 1 femtosekunda=1 × 10^-15 sekundy. Takzvané pulzné svetlo len v okamihu uvoľní svetlo. Doba vyžarovania svetla blesku fotoaparátu je približne 1 mikrosekundu, takže ultrakrátky pulz femtosekundového svetla predstavuje len asi jednu miliardtinu času na uvoľnenie svetla. Ako všetci vieme, rýchlosť svetla je 300,{10}} kilometrov za sekundu (7 a pol týždňa okolo Zeme za 1 sekundu), čo je bezkonkurenčná rýchlosť, ale počas 1 femtosekundy je rovnomerné svetlo len 0,3 mikrónu dopredu.
Obyčajne používame fotenie s bleskom, aby sme mohli orezať okamžitý stav pohybujúceho sa objektu. Podobne s femtosekundovým laserovým zábleskom je možné vidieť každý fragment chemickej reakcie, ktorá prebieha prudkou rýchlosťou. Z tohto dôvodu môžu byť femtosekundové lasery použité na štúdium záhady chemických reakcií.
Chemické reakcie vo všeobecnosti prebiehajú po prechodnom stave vysokej energie, takzvanom "aktivovanom stave". Existenciu aktivačného stavu teoreticky predpovedal chemik Arrhenius v roku 1889, ale nedal sa pozorovať priamo, pretože existoval vo veľmi krátkom čase. Jeho existenciu však koncom 80. rokov minulého storočia priamo demonštroval femtosekundový laser a toto je príklad chemickej reakcie identifikovanej s femtosekundovým laserom. Napríklad rozklad molekuly cyklopentanónu na oxid uhoľnatý a dve molekuly etylénu v aktivovanom stave.
V súčasnosti sa femtosekundové lasery používajú aj v širokom spektre oblastí, ako je fyzika, chémia, biologické vedy, medicína, inžinierstvo atď. Najmä svetlo a elektronika idú ruka v ruke a očakáva sa, že otvoria všetky druhy nových možností v oblasti komunikácie či počítačov a energetiky. Je to preto, lebo intenzita svetla dokáže preniesť veľké množstvo informácií z jedného miesta na druhé takmer bez straty, vďaka čomu je optická komunikácia ďalej vysokorýchlostná. V oblasti jadrovej fyziky mali femtosekundové lasery obrovský vplyv. Pretože pulzné svetlo má veľmi silné elektrické pole, je možné urýchliť elektróny takmer na rýchlosť svetla za 1 femtosekundu, a preto ho možno použiť ako „plynový pedál“ na zrýchlenie elektrónov.
Lekárske aplikácie
Ako už bolo spomenuté vyššie, svet vo femtosekundách je tak zamrznutý, že ani svetlo sa nemôže pohnúť veľmi ďaleko, ale aj v tomto časovom meradle sa atómy a molekuly v hmote a elektróny v obvodoch vnútri počítačových čipov stále pohybujú. Ak použijete femtosekundové impulzy, môžete ich okamžite zastaviť a študovať, čo sa deje. Okrem zábleskov, ktoré zastavujú čas, sú femtosekundové lasery schopné vŕtať mikroskopické otvory do kovu až do priemeru 200 nanometrov (dve tisíciny milimetra). To znamená, že ultrakrátke impulzy svetla, ktoré sú na krátky čas stlačené a uzamknuté vo vnútri, získajú úžasne vysoký výkon bez ďalšieho poškodenia okolia. Okrem toho je pulzné svetlo z femtosekundového lasera schopné vytvárať extrémne jemné stereo snímky subjektu. Stereoskopická fotografia má veľké využitie v lekárskej diagnostike, čím sa otvára nová oblasť výskumu nazývaná optická interferenčná tomografia. Ide o použitie femtosekundových laserov na vytváranie stereoskopických snímok živého tkaniva a buniek. Napríklad veľmi krátky pulz svetla je zameraný na kožu a pulzné svetlo sa odráža na povrchu kože, pričom časť pulzného svetla smeruje do kože. Vnútro pokožky sa skladá z mnohých vrstiev a pulzné svetlo, ktoré je vystrelené do pokožky, sa ako malé pulzy odráža späť a z ozveny týchto tvarovaných pulzných svetiel v odrazenom svetle je možné poznať vnútornú štruktúru koža.
Okrem toho má táto technológia veľké využitie v oftalmológii, kde je možné robiť stereoskopické snímky sietnice hlboko vo vnútri oka. Lekári tak dokážu diagnostikovať, či nie je problém s jej tkanivami. Toto vyšetrenie sa neobmedzuje len na oči, ale ak sa laser pošle do tela vláknovou optikou, dajú sa vyšetriť všetky tkanivá rôznych orgánov v tele a v budúcnosti možno aj skontrolovať, či sa nestali rakovinové.
Dosiahnite ultra presné hodiny
Vedci sa domnievajú, že ak budú hodiny s femtosekundovým laserom vyrobené pomocou viditeľného svetla, budú schopné merať čas presnejšie ako atómové hodiny a budú v najbližších rokoch slúžiť ako najpresnejšie hodiny na svete. Ak sú hodiny presné, potom to tiež výrazne zlepšuje presnosť systému GPS (Global Positioning System) používaného pre navigáciu v aute.
Prečo môže viditeľné svetlo vytvárať presné hodiny? Všetky hodiny a hodinky nemajú kyvadlo a prevody na pohyb, cez výkyv kyvadla s presnou frekvenciou vibrácií, aby sa prevody otáčali sekundy, nie sú výnimkou ani presné hodiny. Preto, aby sa vytvorili presnejšie hodiny, je potrebné použiť kyvadlo s vyššou frekvenciou vibrácií. Kremenné hodiny (hodiny s kryštálovými osciláciami namiesto kyvadla) sú presnejšie ako kyvadlové hodiny, a to preto, že kremenné rezonátory kmitajú viackrát za sekundu.
Frekvencia oscilácií céziových atómových hodín, ktoré sú teraz štandardom času, je asi 9,2 gigahertzov (slovo hlavy medzinárodnej jednotky giga, 1 gig=10^9). Atómové hodiny sú pomocou atómov cézia inherentnou frekvenciou oscilácií, pričom ich frekvencia oscilácií je konzistentná s mikrovlnnou rúrou namiesto kyvadla, ich presnosť je desiatky miliónov rokov iba 1 sekundový rozdiel. Na rozdiel od toho má viditeľné svetlo frekvenciu oscilácií 100,{7}} až 1 miliónkrát vyššiu ako frekvencia mikrovlnných oscilácií, to znamená, že viditeľné svetlo môže byť použité na vytvorenie presných hodín s miliónkrát vyššou presnosťou ako atómové hodiny. Teraz boli v laboratóriu úspešne zostrojené najpresnejšie hodiny na svete využívajúce viditeľné svetlo.
Pomocou týchto presných hodín je možné overiť Einsteinovu teóriu relativity. My budeme také presné hodiny v laboratóriu, druhí v kancelárii dole, zvážte možnú situáciu, po jednej alebo dvoch hodinách budú výsledky ako predpovedá Einsteinova teória relativity, pretože dve vrstvy majú rozdielne "gravitačné pole" medzi dvoma hodinami už neukazujú na rovnaký čas, hodiny dole ako hodiny na poschodí Hodiny dole sa pohybujú pomalšie ako hodiny na poschodí. S presnejšími hodinami by snáď ani hodinky na zápästí a členku nemali v ten deň rovnaký čas. Fascináciu relativity môžeme jednoducho zažiť pomocou presných hodín.
Technológia spomalenia svetla
V roku 1999 sa profesorovi Rainerovi Howeovi z Hubbart University v Spojených štátoch podarilo spomaliť svetlo na 17 metrov za sekundu, teda na rýchlosť, ktorú by dokázalo dobehnúť auto, a neskôr na rýchlosť, ktorú by stíhal aj bicykel. Tento experiment zahŕňa výskum v popredí fyziky av tomto článku sú prezentované iba dva kľúče k úspechu experimentu. Jedným z nich je konštrukcia "oblaku" atómov sodíka pri extrémne nízkych teplotách blízkych absolútnej nule (-273 0,15 stupňa), čo je špeciálny plynný stav známy ako Bose-Einsteinov kondenzát. Druhým je laser (riadiaci laser), ktorý reguluje frekvenciu vibrácií a ožaruje ním oblak sodíkových atómov, výsledkom čoho je niečo neuveriteľné.
V prvom rade sa pomocou riadiaceho lasera pulzné svetlo stlačilo v oblaku atómov a spomalilo na extrémnu rýchlosť. Potom sa kontrolný laser opäť rozžiari a pulzné svetlo sa obnoví a vychádza z atómového oblaku. Stlačené impulzy sa potom opäť rozšíria a rýchlosť sa obnoví. Celý proces zadávania informácie o pulznom svetle do atómového oblaku je podobný čítaniu, ukladaniu a resetovaniu v počítači, takže táto technika je užitočná pre implementáciu kvantových počítačov.
Z „femtosekundového“ do „attosekundového“ sveta
Femtosekundy sú už mimo našej predstavivosti. Teraz sa púšťame do sveta „attosekundy“, ktorá je ešte kratšia ako femtosekunda. A je skratka medzinárodného systému jednotiek (SI) slovo atto. 1 attosekunda=1 x 10^-18 sekúnd=1 tisícina femtosekundy. Attosekundový impulz nemôže byť vytvorený viditeľným svetlom, pretože kratšie impulzy musia byť vytvorené s kratšími vlnovými dĺžkami svetla. Napríklad, ak chcete vytvoriť pulz s červeným viditeľným svetlom, nie je možné vytvoriť pulz s kratšou vlnovou dĺžkou. Viditeľné svetlo má limit asi 2 femtosekundy, a preto sa attosekundové impulzy vytvárajú s kratšími vlnovými dĺžkami röntgenových alebo gama lúčov. Nie je jasné, čo možno v budúcnosti nájsť pomocou attosekundového röntgenového pulzu. Napríklad pomocou attosekundového medzizáblesku na vizualizáciu biomolekuly je možné pozorovať jej aktivitu vo veľmi krátkom časovom meradle a možno identifikovať štruktúru biomolekuly.