Berita Industri

Laser Femtosaat

2022-01-10

A laser femtosaatialah peranti penjana "cahaya denyut ultra pendek" yang mengeluarkan cahaya hanya untuk masa ultra pendek kira-kira satu gigasaat. Fei ialah singkatan Femto, awalan Sistem Unit Antarabangsa, dan 1 femtosaat = 1×10^-15 saat. Cahaya yang dipanggil berdenyut mengeluarkan cahaya hanya untuk seketika. Masa pemancar cahaya denyar kamera ialah kira-kira 1 mikrosaat, jadi cahaya nadi ultra-pendek femtosaat hanya memancarkan cahaya untuk kira-kira satu bilion masanya. Seperti yang kita sedia maklum, kelajuan cahaya ialah 300,000 kilometer sesaat (7 setengah bulatan mengelilingi bumi dalam 1 saat) pada kelajuan yang tiada tandingannya, tetapi dalam 1 femtosaat, cahaya pun hanya maju sebanyak 0.3 mikron.

Selalunya, dengan fotografi kilat kita dapat memotong keadaan seketika objek yang bergerak. Begitu juga, jika laser femtosaat dipancarkan, adalah mungkin untuk melihat setiap serpihan tindak balas kimia walaupun ia berjalan pada kelajuan yang ganas. Untuk tujuan ini, laser femtosecond boleh digunakan untuk mengkaji misteri tindak balas kimia.
Tindak balas kimia am dilakukan selepas melalui keadaan perantaraan dengan tenaga tinggi, yang dipanggil "keadaan diaktifkan". Kewujudan keadaan diaktifkan secara teorinya telah diramalkan oleh ahli kimia Arrhenius seawal tahun 1889, tetapi ia tidak dapat diperhatikan secara langsung kerana ia wujud untuk masa yang sangat singkat. Tetapi kewujudannya telah ditunjukkan secara langsung oleh laser femtosecond pada akhir 1980-an, satu contoh bagaimana tindak balas kimia boleh ditentukan dengan laser femtosecond. Sebagai contoh, molekul siklopentanone diuraikan kepada karbon monoksida dan 2 molekul etilena oleh keadaan diaktifkan.
Laser femtosaat kini turut digunakan dalam pelbagai bidang seperti fizik, kimia, sains hayat, perubatan, dan kejuruteraan, terutamanya dalam cahaya dan elektronik. Ini kerana keamatan cahaya boleh menghantar sejumlah besar maklumat dari satu tempat ke tempat lain dengan hampir tiada kehilangan, seterusnya mempercepatkan komunikasi optik. Dalam bidang fizik nuklear, laser femtosaat telah membawa impak yang besar. Oleh kerana cahaya berdenyut mempunyai medan elektrik yang sangat kuat, adalah mungkin untuk mempercepatkan elektron ke hampir kelajuan cahaya dalam 1 femtosaat, jadi ia boleh digunakan sebagai "pemecut" untuk mempercepatkan elektron.

Aplikasi dalam bidang perubatan
Seperti yang dinyatakan di atas, dalam dunia femtosecond walaupun cahaya dibekukan supaya ia tidak boleh bergerak sangat jauh, tetapi walaupun pada skala masa ini, atom, molekul dalam jirim, dan elektron di dalam cip komputer masih bergerak dalam litar. Jika nadi femtosaat boleh digunakan untuk menghentikannya serta-merta, kaji apa yang berlaku. Selain masa berkelip untuk berhenti, laser femtosaat mampu menggerudi lubang kecil pada logam sekecil 200 nanometer (2/10,000 milimeter) diameter. Ini bermakna bahawa cahaya berdenyut ultra-pendek yang dimampatkan dan dikunci di dalam dalam tempoh yang singkat mencapai kesan output ultra-tinggi yang menakjubkan, dan tidak menyebabkan kerosakan tambahan pada persekitaran. Tambahan pula, cahaya berdenyut laser femtosaat boleh mengambil imej stereoskopik objek yang sangat halus. Pengimejan stereoskopik sangat berguna dalam diagnosis perubatan, sekali gus membuka bidang penyelidikan baharu yang dipanggil tomografi gangguan optik. Ini ialah imej stereoskopik tisu hidup dan sel hidup yang diambil dengan laser femtosaat. Contohnya, nadi cahaya yang sangat pendek ditujukan kepada kulit, cahaya yang berdenyut dipantulkan dari permukaan kulit, dan sebahagian daripada cahaya yang berdenyut disuntik ke dalam kulit. Bahagian dalam kulit terdiri daripada banyak lapisan, dan cahaya berdenyut memasuki kulit dipantulkan semula sebagai cahaya berdenyut kecil, dan struktur dalaman kulit boleh diketahui daripada gema pelbagai cahaya berdenyut ini dalam cahaya yang dipantulkan.
Di samping itu, teknologi ini mempunyai utiliti yang hebat dalam oftalmologi, mampu mengambil imej stereoskopik retina jauh di dalam mata. Ini membolehkan doktor mendiagnosis sama ada terdapat masalah dengan tisu mereka. Pemeriksaan jenis ini tidak terhad kepada mata. Jika laser dihantar ke dalam badan dengan gentian optik, adalah mungkin untuk memeriksa semua tisu pelbagai organ dalam badan, dan mungkin juga untuk memeriksa sama ada ia telah menjadi kanser pada masa hadapan.

Melaksanakan jam ultra-tepat
Para saintis percaya bahawa jika alaser femtosaatjam dibuat menggunakan cahaya yang boleh dilihat, ia akan dapat mengukur masa dengan lebih tepat daripada jam atom, dan ia akan menjadi jam paling tepat di dunia untuk tahun-tahun akan datang. Sekiranya jam itu tepat, maka ketepatan GPS (Global Positioning System) yang digunakan untuk navigasi kereta juga bertambah baik.
Mengapakah cahaya boleh dilihat boleh membuat jam yang tepat? Semua jam dan jam tidak dapat dipisahkan daripada pergerakan bandul dan gear, dan melalui ayunan bandul dengan frekuensi getaran yang tepat, gear berputar selama beberapa saat, dan jam yang tepat tidak terkecuali. Oleh itu, untuk membuat jam yang lebih tepat, perlu menggunakan bandul dengan frekuensi getaran yang lebih tinggi. Jam kuarza (jam yang berayun dengan kristal dan bukannya bandul) adalah lebih tepat daripada jam bandul kerana resonator kuarza berayun lebih banyak kali sesaat.
Jam atom cesium, yang kini menjadi piawai masa, berayun pada frekuensi kira-kira 9.2 gigahertz (awalan unit antarabangsa giga, 1 giga = 10^9). Jam atom menggunakan frekuensi ayunan semula jadi atom cesium untuk menggantikan pendulum dengan gelombang mikro dengan frekuensi ayunan yang sama, dan ketepatannya hanya 1 saat dalam berpuluh-puluh juta tahun. Sebaliknya, cahaya boleh dilihat mempunyai frekuensi ayunan 100,000 hingga 1,000,000 kali lebih tinggi daripada gelombang mikro, iaitu, menggunakan tenaga cahaya boleh dilihat untuk mencipta jam ketepatan yang berjuta-juta kali lebih tepat daripada jam atom. Jam paling tepat di dunia menggunakan cahaya boleh dilihat kini telah berjaya dibina di makmal.
Dengan bantuan jam yang tepat ini, teori relativiti Einstein dapat disahkan. Kami meletakkan salah satu jam tepat ini di makmal dan satu lagi di pejabat di tingkat bawah, memandangkan apa yang mungkin berlaku, selepas satu atau dua jam, hasilnya adalah seperti yang diramalkan oleh teori relativiti Einstein, kerana kedua-duanya Terdapat "medan graviti yang berbeza" "Di antara tingkat, kedua-dua jam tidak lagi menunjukkan masa yang sama, dan jam di tingkat bawah berjalan lebih perlahan daripada yang di tingkat atas. Dengan jam yang lebih tepat, mungkin juga masa di pergelangan tangan dan pergelangan kaki akan berbeza pada hari itu. Kita hanya boleh mengalami keajaiban relativiti dengan bantuan jam yang tepat.

Teknologi melambatkan kelajuan ringan
Pada tahun 1999, Profesor Rainer Howe dari Universiti Hubbard di Amerika Syarikat berjaya menyahpecutan cahaya kepada 17 meter sesaat, kelajuan yang boleh dikejar oleh kereta, dan kemudian berjaya diperlahankan ke tahap yang boleh dikejar walaupun basikal. Percubaan ini melibatkan penyelidikan paling canggih dalam fizik, dan artikel ini hanya memperkenalkan dua kunci kejayaan eksperimen. Salah satunya ialah membina "awan" atom natrium pada suhu yang sangat rendah menghampiri sifar mutlak (-273.15°C), keadaan gas khas yang dipanggil kondensat Bose-Einstein. Yang lain ialah laser yang memodulasi frekuensi getaran (laser untuk kawalan) dan menyinari awan atom natrium dengannya, dan akibatnya, perkara yang luar biasa berlaku.
Para saintis mula-mula menggunakan laser kawalan untuk memampatkan cahaya berdenyut dalam awan atom, dan kelajuannya sangat perlahan. Pada masa ini, laser kawalan dimatikan, cahaya berdenyut hilang, dan maklumat yang dibawa pada cahaya berdenyut disimpan dalam awan atom. . Kemudian ia disinari dengan laser kawalan, cahaya berdenyut dipulihkan, dan ia keluar dari awan atom. Jadi nadi termampat asalnya diregangkan semula dan kelajuan dipulihkan. Keseluruhan proses memasukkan maklumat cahaya berdenyut ke dalam awan atom adalah serupa dengan membaca, menyimpan dan menetapkan semula dalam komputer, jadi teknologi ini berguna untuk merealisasikan komputer kuantum.

Dunia daripada "femtosecond" kepada "attosecond"
Femtosaatadalah di luar imaginasi kita. Kini kita kembali ke dunia attosaat, yang lebih pendek daripada femtosaat. A ialah singkatan untuk awalan SI atto. 1 attosaat = 1 × 10^-18 saat = seperseribu femtosaat. Denyutan attosaat tidak boleh dibuat dengan cahaya nampak kerana panjang gelombang cahaya yang lebih pendek mesti digunakan untuk memendekkan nadi. Sebagai contoh, dalam kes membuat denyutan dengan cahaya kelihatan merah, adalah mustahil untuk membuat denyutan lebih pendek daripada panjang gelombang tersebut. Cahaya boleh dilihat mempunyai had sekitar 2 femtosaat, yang mana denyutan attosaat menggunakan sinar-x atau sinar gamma dengan panjang gelombang yang lebih pendek. Apa yang akan ditemui pada masa hadapan menggunakan denyutan sinar-X attosaat tidak jelas. Sebagai contoh, penggunaan kilat attosaat untuk menggambarkan biomolekul membolehkan kita memerhati aktivitinya pada skala masa yang sangat singkat, dan mungkin menentukan struktur biomolekul.