Femtosekundiline laser

A femtosekundiline laseron "ülilühikese impulsi valgust" genereeriv seade, mis kiirgab valgust ainult ülilühikest aega, umbes ühe gigasekundi. Fei on Femto lühend, mis on rahvusvahelise mõõtühikute süsteemi eesliide ja 1 femtosekund = 1 × 10^-15 sekundit. Niinimetatud impulssvalgus kiirgab valgust vaid hetkeks. Kaamera välklambi valgust kiirgav aeg on umbes 1 mikrosekund, seega kiirgab ülilühikese impulssiga femtosekundiline valgus valgust vaid umbes miljardindiku oma ajast. Nagu me kõik teame, on valguse kiirus 300 000 kilomeetrit sekundis (7 ja pool tiiru ümber Maa 1 sekundiga) võrratu kiirusega, kuid 1 femtosekundis liigub isegi valgus edasi vaid 0,3 mikronit.

Sageli suudame välguga pildistamise abil välja lõigata liikuva objekti hetkeseisu. Samamoodi on femtosekundilise laseri välguga võimalik näha keemilise reaktsiooni iga fragmenti isegi siis, kui see kulgeb vägivaldse kiirusega. Selleks saab femtosekundiliste laserite abil uurida keemiliste reaktsioonide müsteeriumi.
Üldised keemilised reaktsioonid viiakse läbi pärast suure energiaga vaheoleku ehk nn "aktiveeritud oleku" läbimist. Aktiveeritud oleku olemasolu ennustas keemik Arrhenius teoreetiliselt juba 1889. aastal, kuid seda ei saa otseselt jälgida, sest see eksisteerib väga lühikest aega. Kuid selle olemasolu näitasid otseselt femtosekundilised laserid 1980. aastate lõpus, näide sellest, kuidas keemilisi reaktsioone saab femtosekundiliste laseritega täpselt kindlaks teha. Näiteks tsüklopentanooni molekul laguneb aktiveeritud olekus süsinikmonooksiidiks ja 2 etüleeni molekuliks.
Femtosekundeid lasereid kasutatakse nüüd ka paljudes valdkondades, nagu füüsika, keemia, bioteadused, meditsiin ja tehnika, eriti valguse ja elektroonika valdkonnas. Selle põhjuseks on asjaolu, et valguse intensiivsus võib peaaegu ilma kadudeta edastada suure hulga teavet ühest kohast teise, mis kiirendab veelgi optilist sidet. Tuumafüüsika valdkonnas on femtosekundilised laserid toonud tohutu mõju. Kuna impulssvalgusel on väga tugev elektriväli, on võimalik kiirendada elektronid 1 femtosekundi jooksul valguse kiiruse lähedale, mistõttu saab seda kasutada elektronide kiirendamise "kiirendina".

Rakendus meditsiinis
Nagu eespool mainitud, on femtosekundimaailmas isegi valgus külmunud, nii et see ei saa väga kaugele liikuda, kuid isegi praegusel ajaskaalal liiguvad arvutikiipide sees olevad aatomid, molekulid ja elektronid endiselt ahelates. Kui femtosekundilist impulssi saab kasutada selle hetkeliseks peatamiseks, uurige, mis juhtub. Lisaks vilkumise peatumisajale on femtosekundilised laserid võimelised puurima metalli, mille läbimõõt on kuni 200 nanomeetrit (2/10 000 millimeetrit). See tähendab, et lühikese aja jooksul kokkusurutud ja sees lukustatud ülilühike impulssvalgus saavutab ülikõrge väljundi hämmastava efekti ega põhjusta ümbritsevale täiendavat kahju. Lisaks võib femtosekundilise laseri impulssvalgus teha objektidest väga peeneid stereoskoopilisi pilte. Stereoskoopiline pildistamine on meditsiinilises diagnoosimises väga kasulik, avades seega uue uurimisvaldkonna, mida nimetatakse optiliste häirete tomograafiaks. See on stereoskoopiline pilt eluskoest ja elusrakkudest, mis on tehtud femtosekundilise laseriga. Näiteks on väga lühike valgusimpulss suunatud nahale, impulssvalgus peegeldub naha pinnalt ja osa impulssvalgusest süstitakse nahka. Naha sisemus koosneb paljudest kihtidest ning nahka sisenev impulssvalgus põrkab tagasi väikese impulssvalgusena ning nende erinevate impulssvalguste kajadest peegeldunud valguses saab teada naha sisestruktuuri.
Lisaks on sellel tehnoloogial oftalmoloogias suur kasu, kuna see on võimeline tegema sügaval silmas olevast võrkkesta stereoskoopilisi pilte. See võimaldab arstidel diagnoosida, kas nende kudedes on probleeme. Seda tüüpi uurimine ei piirdu ainult silmadega. Kui optilise kiuga laserit kehasse saata, on võimalik uurida organismis kõiki erinevate organite kudesid ning võib-olla on võimalik isegi kontrollida, kas sellest on tulevikus saanud vähk.

Ülitäpse kella rakendamine
Teadlased usuvad, et kui afemtosekundiline laserKell on valmistatud nähtava valguse abil, suudab see aega mõõta täpsemalt kui aatomkellad ja see on aastateks maailma kõige täpsem kell. Kui kell on täpne, siis paraneb kõvasti ka autos navigeerimiseks kasutatava GPS-i (Global Positioning System) täpsus.
Miks saab nähtav valgus teha täpse kella? Kõik kellad ja kellad on lahutamatud pendli ja käigu liikumisest ning pendli täpse võnkesagedusega võnkumise kaudu pöörleb hammasratas sekundit ja täpne kell pole erand. Seetõttu on täpsema kella tegemiseks vaja kasutada suurema vibratsioonisagedusega pendlit. Kvartskellad (kellad, mis võnguvad pendlite asemel kristallidega) on täpsemad kui pendlikellad, kuna kvartsresonaator võngub rohkem kordi sekundis.
Tseesiumi aatomkell, mis on praegu ajastandard, võngub umbes 9,2 gigahertsi sagedusega (rahvusvahelise ühiku giga eesliide, 1 giga = 10^9). Aatomkell kasutab tseesiumiaatomite loomulikku võnkesagedust, et asendada pendli sama võnkesagedusega mikrolainetega ja selle täpsus on kümnete miljonite aastate jooksul vaid 1 sekund. Seevastu nähtava valguse võnkesagedus on 100 000–1 000 000 korda kõrgem kui mikrolainetel, see tähendab, et nähtava valguse energia abil luuakse täppiskell, mis on miljoneid kordi täpsem kui aatomkelladel. Nüüd on laboris edukalt ehitatud maailma kõige täpsem nähtavat valgust kasutav kell.
Selle täpse kella abil saab Einsteini relatiivsusteooriat kontrollida. Ühe neist täpsetest kelladest panime laborisse ja teise allkorruse kontorisse, arvestades, mis võib juhtuda, tunni või paari pärast oli tulemus selline, nagu ennustas Einsteini relatiivsusteooria, tänu kahele Seal on erinevad "gravitatsiooniväljad "Korruste vahel ei näita kaks kella enam samale kellaajale ja allkorrusel olev kell töötab aeglasemalt kui üleval. Täpsema kellaga oleks ehk isegi kellaaeg randmel ja pahkluul sel päeval teistsugune. Täpsete kellade abil saame lihtsalt kogeda relatiivsusteooria maagiat.

Valguse kiirust aeglustava tehnoloogia
1999. aastal alandas USA Hubbardi ülikooli professor Rainer Howe edukalt valguse kiirust 17 meetrini sekundis, mis on kiirus, millele auto suudab järele jõuda, ja seejärel edukalt kiiruse tasemeni, millele isegi jalgratas suudab järele jõuda. See katse hõlmab kõige eesrindlikumaid füüsikauuringuid ja see artikkel tutvustab ainult kahte katse edu võtit. Üks on ehitada naatriumi aatomitest "pilv" absoluutse nulli lähedasel (-273,15 °C) äärmisel madalal temperatuuril, mis on eriline gaasi olek, mida nimetatakse Bose-Einsteini kondensaadiks. Teine on laser, mis moduleerib võnkesagedust (laser juhtimiseks) ja kiiritab sellega naatriumi aatomite pilve ning selle tulemusena juhtub uskumatuid asju.
Teadlased kasutavad esmalt kontrolllaserit aatomipilves impulssvalguse kokkusurumiseks ja kiirus on äärmiselt aeglustunud. Sel ajal lülitatakse juhtlaser välja, impulssvalgus kaob ja impulssvalgusel kantav teave salvestatakse aatomipilve. . Seejärel kiiritatakse seda kontrolllaseriga, taastatakse impulssvalgus ja see läheb aatomipilvest välja. Seega venitatakse uuesti algselt kokkusurutud pulss ja kiirus taastub. Kogu impulssvalguse teabe aatomipilve sisestamise protsess sarnaneb arvutis lugemise, salvestamise ja lähtestamisega, seega on see tehnoloogia abiks kvantarvutite realiseerimisel.

Maailm "femtosekundist" kuni "attosekundini"
Femtosekundidon väljaspool meie kujutlusvõimet. Nüüd oleme tagasi attosekundite maailmas, mis on lühemad kui femtosekundid. A on SI prefiksi atto lühend. 1 attosekund = 1 × 10^-18 sekundit = üks tuhandik femtosekundist. Attosekundilisi impulsse ei saa teha nähtava valgusega, sest impulsi lühendamiseks tuleb kasutada lühemaid valguse lainepikkusi. Näiteks punase nähtava valgusega impulsside tegemisel on võimatu teha sellest lainepikkusest lühemaid impulsse. Nähtava valguse piirang on umbes 2 femtosekundit, mille jaoks attosekundiliste impulsside puhul kasutatakse lühema lainepikkusega röntgeni- või gammakiirgust. Mida atosekundiliste röntgenimpulsside abil tulevikus avastatakse, on ebaselge. Näiteks attosekundiliste välkude kasutamine biomolekulide visualiseerimiseks võimaldab meil jälgida nende tegevust ülilühikese aja jooksul ja võib-olla täpselt määrata biomolekulide struktuuri.