A aplicação de lasers de femtossegundos

Os lasers de femtosegundo são dispositivos geradores de "luz ultracurta pulsada" que emitem luz por um período de tempo ultracurto de apenas cerca de um gigabit de segundo. Femto é a abreviatura do sistema internacional de unidades femto (femto), 1 femtossegundo=1 × 10^-15 segundos. A chamada luz pulsada está apenas em um momento para liberar a luz. O tempo de emissão de luz do flash da câmera é de cerca de 1 microssegundo, de modo que o pulso ultracurto da luz de femtosegundo leva apenas cerca de um bilionésimo de seu tempo para liberar a luz. Como todos sabemos, a velocidade da luz é de 300,000 quilômetros por segundo (7 semanas e meia ao redor da Terra em 1 segundo) velocidade incomparável, mas durante 1 femtosegundo até a luz avança apenas 0,3 mícron.
Normalmente, usamos a fotografia com flash para poder cortar o estado instantâneo do objeto em movimento. Da mesma forma, com um flash de laser de femtosegundo, é possível ver cada fragmento de uma reação química que ocorre em uma velocidade violenta. Por esta razão, os lasers de femtossegundos podem ser usados ​​para estudar o mistério das reações químicas.
As reações químicas em geral ocorrem após um estado intermediário de alta energia, o chamado "estado ativado". A existência do estado de ativação foi prevista teoricamente pelo químico Arrhenius em 1889, mas não pôde ser observada diretamente porque existiu em um tempo muito curto. No entanto, sua existência foi diretamente demonstrada por um laser de femtosegundo no final da década de 1980, e este é um exemplo de reação química identificada com um laser de femtosegundo. Por exemplo, a decomposição de uma molécula de ciclopentanona em monóxido de carbono e duas moléculas de etileno em estado ativado.
Hoje em dia, os lasers de femtosegundo também são usados ​​em uma ampla gama de campos, como física, química, ciências da vida, medicina, engenharia, etc. o campo da comunicação ou computadores e energia. Isso porque a intensidade da luz pode transmitir uma grande quantidade de informações de um lugar para outro quase sem perdas, tornando a comunicação óptica ainda mais rápida. No campo da física nuclear, os lasers de femtossegundos causaram um grande impacto. Como a luz pulsada tem um campo elétrico muito forte, é possível acelerar elétrons para perto da velocidade da luz em 1 femtossegundo e, portanto, pode ser usado como um "pedal de acelerador" para acelerar elétrons.
Aplicações médicas
Como mencionado acima, o mundo em femtossegundos está tão congelado que nem mesmo a luz pode se mover muito longe, mas mesmo nessa escala de tempo, átomos e moléculas na matéria e elétrons em circuitos dentro de chips de computador ainda estão se movendo. Se você usar pulsos de femtossegundos, poderá fazê-lo parar instantaneamente e estudar o que está acontecendo. Além dos flashes que param o tempo, os lasers de femtosegundo são capazes de perfurar orifícios microscópicos em metal de até 200 nanômetros (dois milésimos de milímetro) de diâmetro. Isso significa que os pulsos ultracurtos de luz que são comprimidos e bloqueados por um curto período de tempo obtêm uma saída incrivelmente alta sem danos adicionais à área circundante. Além disso, a luz pulsada do laser de femtosegundo é capaz de capturar imagens estéreo extremamente finas do objeto. A fotografia estereoscópica é de grande utilidade no diagnóstico médico, abrindo assim um novo campo de pesquisa denominado tomografia por interferência óptica. Este é o uso de lasers de femtosegundo para obter imagens estereoscópicas de tecidos e células vivas. Por exemplo, um pulso muito curto de luz é direcionado para a pele, e a luz pulsada é refletida na superfície da pele, com parte da luz pulsada sendo direcionada para a pele. O interior da pele consiste em muitas camadas, e a luz pulsada que é lançada na pele é refletida em pequenos pulsos e, a partir dos ecos dessas luzes pulsadas na luz refletida, é possível conhecer a estrutura interna da pele. a pele.
Além disso, essa tecnologia tem grande utilidade na oftalmologia, onde é possível obter imagens estereoscópicas da retina no fundo do olho. Os médicos são, assim, capazes de diagnosticar se há algum problema com seus tecidos. Este exame não se limita aos olhos, mas se o laser for enviado para dentro do corpo com fibra ótica, todos os tecidos de vários órgãos do corpo podem ser examinados e no futuro pode até ser possível verificar se eles se tornaram canceroso.
Obtenha um relógio ultrapreciso
Os cientistas acreditam que, se um relógio com laser de femtosegundo for feito com luz visível, ele será capaz de medir o tempo com mais precisão do que um relógio atômico e servirá como o relógio mais preciso do mundo nos próximos anos. Se o relógio for preciso, também melhora muito a precisão do GPS (Sistema de Posicionamento Global) usado para a navegação do carro.
Por que a luz visível pode fazer relógios precisos? Todos os relógios e relógios não possuem pêndulo e engrenagens para movimento, através do balanço do pêndulo com uma frequência precisa de vibração, de modo que as engrenagens girem segundos, relógios precisos não são exceção. Portanto, para criar relógios mais precisos, é necessário usar um pêndulo com maior frequência de vibração. Os relógios de quartzo (relógios com oscilações de cristal em vez de pêndulos) são mais precisos do que os relógios de pêndulo, e isso ocorre porque os ressonadores de quartzo oscilam mais vezes por segundo.
A frequência de oscilação do relógio atômico de césio, que agora é o padrão de tempo, é de cerca de 9,2 gigahertz (a palavra cabeça da unidade internacional giga, 1 giga=10^9). Relógio atômico é o uso de átomos de césio frequência inerente de oscilação, com sua frequência de oscilação consistente com o microondas em vez do pêndulo, sua precisão é de dezenas de milhões de anos apenas 1 segundo de diferença. Em contraste, a luz visível tem uma frequência de oscilação de 100,000 a 1 milhão de vezes maior que a frequência de oscilação de micro-ondas, ou seja, a luz visível pode ser usada para criar relógios de precisão com precisão um milhão de vezes maior que os relógios atômicos. Agora, o relógio mais preciso do mundo usando luz visível foi construído com sucesso em laboratório.
Com a ajuda deste relógio preciso é possível verificar a teoria da relatividade de Einstein. Seremos um relógio tão preciso no laboratório, outro no escritório no andar de baixo, considere a possível situação, depois de uma ou duas horas, os resultados conforme previsto pela teoria da relatividade de Einstein, devido às duas camadas terem "campo gravitacional" diferente entre os dois relógios não apontam mais para a mesma hora, o relógio de baixo do que o relógio de cima O relógio de baixo se move mais devagar que o de cima. Com um relógio mais preciso, talvez até o relógio no pulso e no tornozelo não marcassem a mesma hora naquele dia. Podemos simplesmente experimentar o fascínio da relatividade com a ajuda de relógios precisos.
Tecnologia de desaceleração da luz
Em 1999, o professor Rainer Howe, da Hubbart University, nos Estados Unidos, conseguiu desacelerar a luz para 17 metros por segundo, uma velocidade que um carro poderia alcançar e, posteriormente, uma velocidade que até mesmo uma bicicleta poderia alcançar. Este experimento envolve pesquisas na vanguarda da física e, neste artigo, apenas duas chaves para o sucesso do experimento são apresentadas. Uma delas é a construção de uma "nuvem" de átomos de sódio em temperaturas extremamente baixas próximas ao zero absoluto (-2730,15 grau ), um estado gasoso especial conhecido como condensado de Bose-Einstein. O outro é um laser (laser de controle) que regula a frequência das vibrações e irradia com ele a nuvem de átomos de sódio, fazendo com que algo incrível aconteça.
Em primeiro lugar, com a ajuda do laser de controle, a luz pulsada foi comprimida na nuvem de átomos e desacelerada a uma velocidade extrema. Em seguida, o laser de controle brilha novamente e a luz pulsada é restaurada e sai da nuvem atômica. Os pulsos que foram comprimidos são então ampliados novamente e a velocidade é restaurada. Todo o processo de inserir as informações de luz pulsada na nuvem atômica é semelhante à leitura, armazenamento e reinicialização em um computador, portanto, essa técnica é útil para a implementação de computadores quânticos.
Do mundo "femtosecond" ao "attosecond"
Os femtossegundos já estão além da nossa imaginação. Agora estamos nos aventurando no mundo do "attossegundo" que é ainda mais curto que o femtossegundo. A é a abreviatura da palavra do Sistema Internacional de Unidades (SI) atto. 1 attossegundo=1 x 10^-18 segundos=1 milésimo de femtossegundo. Um pulso attosecond não pode ser feito com luz visível porque pulsos mais curtos devem ser feitos com comprimentos de onda mais curtos de luz. Por exemplo, se você deseja criar um pulso com luz visível vermelha, não é possível criar um pulso com comprimento de onda menor que esse. A luz visível é o limite de cerca de 2 femtossegundos, e por esta razão os pulsos attossegundos são feitos com comprimentos de onda mais curtos de raios-x ou raios gama. Não está claro o que pode ser encontrado no futuro usando um pulso de raios X attosecond. Por exemplo, usando um interflash attosecond para visualizar uma biomolécula, é possível observar sua atividade em uma escala de tempo muito curta e talvez identificar a estrutura da biomolécula.