La aplicación de láseres de femtosegundo

Los láseres de femtosegundo son dispositivos generadores de "luz pulsada ultracorta" que emiten luz durante un período de tiempo ultracorto de solo un gigabit por segundo. Femto es la abreviatura del sistema internacional de unidades femto (femto), 1 femtosegundo=1 × 10^-15 segundos. La llamada luz pulsada es solo en un momento para liberar luz. El tiempo de emisión de luz del flash de la cámara es de aproximadamente 1 microsegundo, por lo que el pulso ultracorto de la luz de femtosegundos es solo una milmillonésima parte de su tiempo para liberar la luz. Como todos sabemos, la velocidad de la luz es de 300,000 kilómetros por segundo (7 semanas y media alrededor de la Tierra en 1 segundo) una velocidad sin igual, pero durante 1 femtosegundo, incluso la luz solo avanza 0,3 micrones.
Habitualmente, utilizamos la fotografía con flash para poder recortar el estado instantáneo del objeto en movimiento. De manera similar, con un flash láser de femtosegundo, es posible ver cada fragmento de una reacción química que se desarrolla a una velocidad violenta. Por esta razón, los láseres de femtosegundo se pueden utilizar para estudiar el misterio de las reacciones químicas.
Las reacciones químicas en general tienen lugar después de un estado intermedio de alta energía, el llamado "estado activado". La existencia del estado de activación fue predicha teóricamente por el químico Arrhenius en 1889, pero no se pudo observar directamente porque existió en muy poco tiempo. Sin embargo, su existencia fue demostrada directamente por un láser de femtosegundo a fines de la década de 1980, y este es un ejemplo de una reacción química identificada con un láser de femtosegundo. Por ejemplo, la descomposición de una molécula de ciclopentanona en monóxido de carbono y dos moléculas de etileno en estado activado.
Hoy en día, los láseres de femtosegundo también se utilizan en una amplia gama de campos como la física, la química, las ciencias de la vida, la medicina, la ingeniería, etc. En particular, la luz y la electrónica van de la mano y se espera que abran todo tipo de nuevas posibilidades en el campo de la comunicación o la informática y la energía. Esto se debe a que la intensidad de la luz puede transmitir una gran cantidad de información de un lugar a otro casi sin pérdida, lo que hace que la comunicación óptica sea aún más rápida. En el campo de la física nuclear, los láseres de femtosegundo han tenido un gran impacto. Debido a que la luz pulsada tiene un campo eléctrico muy fuerte, es posible acelerar los electrones hasta casi la velocidad de la luz en 1 femtosegundo y, por lo tanto, puede usarse como un "pedal del acelerador" para acelerar los electrones.
Aplicaciones médicas
Como se mencionó anteriormente, el mundo en femtosegundos está tan congelado que incluso la luz no puede moverse muy lejos, pero incluso en esta escala de tiempo, los átomos y las moléculas en la materia y los electrones en los circuitos dentro de los chips de computadora todavía se están moviendo. Si usa pulsos de femtosegundos puede hacer que se detenga instantáneamente y estudiar lo que está sucediendo. Además de los destellos que detienen el tiempo, los láseres de femtosegundo son capaces de perforar agujeros microscópicos en el metal de hasta 200 nanómetros (dos milésimas de milímetro) de diámetro. Esto significa que los pulsos de luz ultracortos que se comprimen y bloquean en el interior durante un corto período de tiempo obtienen una salida sorprendentemente alta sin daño adicional al área circundante. Además, la luz pulsada del láser de femtosegundo es capaz de tomar imágenes estéreo extremadamente finas del sujeto. La fotografía estereoscópica es de gran utilidad en el diagnóstico médico, abriendo así un nuevo campo de investigación denominado tomografía de interferencia óptica. Este es el uso de láseres de femtosegundo para tomar imágenes estereoscópicas de células y tejidos vivos. Por ejemplo, se dirige un pulso de luz muy corto a la piel, y la luz pulsada se refleja en la superficie de la piel, y parte de la luz pulsada se dirige hacia la piel. El interior de la piel consta de muchas capas, y la luz pulsada que se dispara en la piel rebota en forma de pequeños pulsos, y a partir de los ecos de estas luces pulsadas con forma en la luz reflejada, es posible conocer la estructura interna de la piel.
Además, esta tecnología tiene una gran utilidad en oftalmología, donde es posible tomar imágenes estereoscópicas de la retina en el interior del ojo. De este modo, los médicos pueden diagnosticar si existe un problema con sus tejidos. Este examen no se limita a los ojos, pero si el láser se envía al cuerpo con fibra óptica, se pueden examinar todos los tejidos de varios órganos del cuerpo y, en el futuro, es posible que incluso se pueda verificar si se han convertido. canceroso.
Consigue un reloj ultrapreciso
Los científicos creen que si se fabrica un reloj con un láser de femtosegundo utilizando luz visible, podrá medir el tiempo con mayor precisión que un reloj atómico y será el reloj más preciso del mundo en los próximos años. Si el reloj es preciso, también mejora en gran medida la precisión del GPS (Sistema de posicionamiento global) utilizado para la navegación del automóvil.
¿Por qué la luz visible puede hacer relojes precisos? Todos los relojes y relojes no tienen un péndulo y engranajes para el movimiento, a través del movimiento del péndulo con una frecuencia de vibración precisa, para que los engranajes giren en segundos, los relojes precisos no son una excepción. Por lo tanto, para crear relojes más precisos, es necesario usar un péndulo con una frecuencia de vibración más alta. Los relojes de cuarzo (relojes con oscilaciones de cristal en lugar de péndulos) son más precisos que los relojes de péndulo, y eso se debe a que los resonadores de cuarzo oscilan más veces por segundo.
La frecuencia de oscilación del reloj atómico de cesio, que ahora es el estándar de tiempo, es de aproximadamente 9,2 gigahercios (la cabeza de la palabra de la unidad internacional giga, 1 giga=10^9). El reloj atómico es el uso de la frecuencia de oscilación inherente de los átomos de cesio, con su frecuencia de oscilación consistente con el microondas en lugar del péndulo, su precisión es de decenas de millones de años con solo 1 segundo de diferencia. Por el contrario, la luz visible tiene una frecuencia de oscilación de 100,000 a 1 millón de veces más alta que la frecuencia de oscilación de microondas, es decir, la luz visible puede usarse para crear relojes de precisión con una precisión un millón de veces mayor que los relojes atómicos. Ahora, el reloj más preciso del mundo que utiliza luz visible se ha construido con éxito en el laboratorio.
Con la ayuda de este preciso reloj es posible verificar la teoría de la relatividad de Einstein. Seremos un reloj tan preciso en el laboratorio, el otro en la oficina de abajo, considere la posible situación, después de una o dos horas, los resultados predichos por la teoría de la relatividad de Einstein, debido a que las dos capas tienen diferentes "campos gravitatorios". entre los dos relojes ya no apuntan a la misma hora, el reloj de abajo que el reloj de arriba El reloj de abajo se mueve más lento que el reloj de arriba. Con un reloj más preciso, quizás ni el reloj de la muñeca ni el del tobillo marcarían la misma hora ese día. Simplemente podemos experimentar la fascinación de la relatividad con la ayuda de relojes precisos.
Tecnología de ralentización de la luz
En 1999, el profesor Rainer Howe de la Universidad Hubbart en los Estados Unidos logró reducir la velocidad de la luz a 17 metros por segundo, una velocidad que un automóvil podría alcanzar y luego a una velocidad que incluso una bicicleta podría alcanzar. Este experimento involucra investigación a la vanguardia de la física, y en este artículo solo se presentan dos claves para el éxito del experimento. Uno es la construcción de una "nube" de átomos de sodio a temperaturas extremadamente bajas cercanas al cero absoluto (-273.15 grados), un estado especial de gas conocido como condensado de Bose-Einstein. El otro es un láser (láser de control) que regula la frecuencia de las vibraciones y con él irradia la nube de átomos de sodio, con el resultado de que sucede algo increíble.
En primer lugar, con la ayuda del láser de control, la luz pulsada se comprimió en la nube de átomos y se redujo a una velocidad extrema. Luego se vuelve a encender el láser de control, y la luz pulsada se restaura y sale de la nube atómica. Los pulsos que estaban comprimidos se vuelven a ensanchar y se restablece la velocidad. Todo el proceso de ingresar la información de luz pulsada en la nube atómica es similar a leer, almacenar y reiniciar en una computadora, por lo que esta técnica es útil para la implementación de computadoras cuánticas.
Del mundo "femtosegundo" al "attosegundo"
Los femtosegundos ya están más allá de nuestra imaginación. Ahora nos estamos aventurando en el mundo del "attosegundo", que es incluso más corto que el femtosegundo. A es la abreviatura de la palabra atto del Sistema Internacional de Unidades (SI). 1 attosegundo=1 x 10^-18 segundos=1 milésima de femtosegundo. Un pulso de attosegundo no se puede hacer con luz visible porque los pulsos más cortos se deben hacer con longitudes de onda de luz más cortas. Por ejemplo, si desea crear un pulso con luz visible roja, no es posible crear un pulso con una longitud de onda más corta que esa. La luz visible es el límite de aproximadamente 2 femtosegundos, y por esta razón los pulsos de attosegundos se hacen con longitudes de onda más cortas de rayos X o rayos gamma. No está claro qué se puede encontrar en el futuro utilizando un pulso de rayos X de attosegundos. Por ejemplo, al utilizar un destello intermedio de attosegundos para visualizar una biomolécula, es posible observar su actividad en una escala de tiempo muy breve y tal vez identificar la estructura de la biomolécula.