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Láser de femtosegundo

2022-01-10

A láser de femtosegundoes un dispositivo generador de "luz de pulso ultracorto" que emite luz solo durante un tiempo ultracorto de aproximadamente un gigasegundo. Fei es la abreviatura de Femto, el prefijo del Sistema Internacional de Unidades, y 1 femtosegundo = 1×10^-15 segundos. La llamada luz pulsada emite luz solo por un instante. El tiempo de emisión de luz del flash de una cámara es de aproximadamente 1 microsegundo, por lo que la luz de pulso ultracorto de femtosegundos solo emite luz durante aproximadamente una milmillonésima parte de su tiempo. Como todos sabemos, la velocidad de la luz es de 300.000 kilómetros por segundo (7 vueltas y media alrededor de la tierra en 1 segundo) a una velocidad sin igual, pero en 1 femtosegundo, incluso la luz solo avanza 0,3 micras.

A menudo, con la fotografía con flash podemos recortar el estado momentáneo de un objeto en movimiento. Del mismo modo, si se enciende un láser de femtosegundo, es posible ver cada fragmento de la reacción química incluso cuando avanza a una velocidad violenta. Con este fin, los láseres de femtosegundo se pueden utilizar para estudiar el misterio de las reacciones químicas.
Las reacciones químicas generales se llevan a cabo después de pasar por un estado intermedio con alta energía, el llamado "estado activado". La existencia de un estado activado fue predicha teóricamente por el químico Arrhenius ya en 1889, pero no se puede observar directamente porque existe durante un tiempo muy corto. Pero su existencia fue demostrada directamente por los láseres de femtosegundo a fines de la década de 1980, un ejemplo de cómo las reacciones químicas pueden identificarse con láseres de femtosegundo. Por ejemplo, la molécula de ciclopentanona se descompone en monóxido de carbono y 2 moléculas de etileno por el estado activado.
Los láseres de femtosegundo ahora también se utilizan en una amplia gama de campos, como la física, la química, las ciencias de la vida, la medicina y la ingeniería, especialmente en la luz y la electrónica. 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, acelerando aún más la comunicación óptica. 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, por lo que puede usarse como un "acelerador" para acelerar los electrones.

Aplicación en medicina
Como se mencionó anteriormente, en el mundo de los femtosegundos, incluso la luz se congela para que no pueda viajar muy lejos, pero incluso en esta escala de tiempo, los átomos, las moléculas en la materia y los electrones dentro de los chips de computadora todavía se mueven en los circuitos. Si se puede usar el pulso de femtosegundos para detenerlo instantáneamente, estudie qué sucede. Además del tiempo de parpadeo para detenerse, los láseres de femtosegundo pueden perforar agujeros diminutos en metal de hasta 200 nanómetros (2/10.000 de milímetro) de diámetro. Esto significa que la luz pulsada ultracorta que se comprime y se bloquea dentro en un corto período de tiempo logra un efecto asombroso de salida ultra alta y no causa daño adicional al entorno. Además, la luz pulsada del láser de femtosegundo puede tomar imágenes estereoscópicas extremadamente finas de objetos. La imagen estereoscópica es muy útil en el diagnóstico médico, abriendo así un nuevo campo de investigación llamado tomografía de interferencia óptica. Esta es una imagen estereoscópica de tejido vivo y células vivas tomada con un láser de femtosegundo. Por ejemplo, se dirige un pulso de luz muy corto a la piel, la luz pulsada se refleja en la superficie de la piel y una parte de la luz pulsada se inyecta en la piel. El interior de la piel se compone de muchas capas, y la luz pulsada que entra en la piel rebota como una pequeña luz pulsada, y la estructura interna de la piel se puede conocer a partir de los ecos de estas diversas luces pulsadas en la luz reflejada.
Además, esta tecnología tiene una gran utilidad en oftalmología, capaz de tomar imágenes estereoscópicas de la retina en lo profundo del ojo. Esto permite a los médicos diagnosticar si existe un problema con su tejido. Este tipo de examen no se limita a los ojos. Si se envía un láser al cuerpo con una fibra óptica, es posible examinar todos los tejidos de varios órganos del cuerpo, e incluso puede ser posible verificar si se ha convertido en cáncer en el futuro.

Implementación de un reloj ultrapreciso
Los científicos creen que si unláser de femtosegundoEl reloj está fabricado con luz visible, podrá medir el tiempo con mayor precisión que los relojes atómicos y será el reloj más preciso del mundo en los años venideros. Si el reloj es preciso, la precisión del GPS (Sistema de Posicionamiento Global) utilizado para la navegación del automóvil también mejora considerablemente.
¿Por qué la luz visible puede hacer un reloj preciso? Todos los relojes y relojes son inseparables del movimiento de un péndulo y un engranaje, y mediante la oscilación del péndulo con una frecuencia de vibración precisa, el engranaje gira durante segundos, y un reloj preciso no es una excepción. Por lo tanto, para hacer un reloj más preciso, es necesario usar un péndulo con una frecuencia de vibración más alta. Los relojes de cuarzo (relojes que oscilan con cristales en lugar de péndulos) son más precisos que los relojes de péndulo porque el resonador de cuarzo oscila más veces por segundo.
El reloj atómico de cesio, que ahora es el estándar de tiempo, oscila a una frecuencia de alrededor de 9,2 gigahercios (el prefijo de la unidad internacional giga, 1 giga = 10^9). El reloj atómico utiliza la frecuencia de oscilación natural de los átomos de cesio para reemplazar el péndulo con microondas con la misma frecuencia de oscilación, y su precisión es de solo 1 segundo en decenas de millones de años. Por el contrario, la luz visible tiene una frecuencia de oscilación de 100 000 a 1 000 000 de veces mayor que la de las microondas, es decir, utiliza la energía de la luz visible para crear un reloj de precisión que es millones de veces más exacto que los relojes atómicos. El reloj más preciso del mundo que utiliza luz visible ahora se ha construido con éxito en el laboratorio.
Con la ayuda de este preciso reloj, se puede verificar la teoría de la relatividad de Einstein. Pusimos uno de estos relojes precisos en el laboratorio y el otro en la oficina de abajo, considerando lo que podría pasar, después de una o dos horas, el resultado fue como predijo la teoría de la relatividad de Einstein, debido a los dos Hay diferentes "campos gravitatorios". "entre los pisos, los dos relojes ya no marcan la misma hora, y el reloj de abajo va más lento que el de arriba. Con un reloj más preciso, tal vez incluso la hora en la muñeca y el tobillo sería diferente ese día. Simplemente podemos experimentar la magia de la relatividad con la ayuda de relojes precisos.

Tecnología de desaceleración de la velocidad de la luz
En 1999, el profesor Rainer Howe de la Universidad Hubbard en los Estados Unidos desaceleró con éxito la luz a 17 metros por segundo, una velocidad que un automóvil puede alcanzar, y luego redujo la velocidad con éxito a un nivel que incluso una bicicleta puede alcanzar. Este experimento involucra la investigación más avanzada en física, y este artículo solo presenta dos claves para el éxito del experimento. Una es construir una "nube" de átomos de sodio a una temperatura extremadamente baja cercana al cero absoluto (-273,15°C), un estado gaseoso especial llamado condensado de Bose-Einstein. El otro es un láser que modula la frecuencia vibratoria (el láser de control) e irradia con él una nube de átomos de sodio, y como resultado suceden cosas increíbles.
Los científicos primero usan el láser de control para comprimir la luz pulsada en la nube de átomos, y la velocidad se reduce extremadamente. En este momento, el láser de control se apaga, la luz pulsada desaparece y la información transportada por la luz pulsada se almacena en la nube de átomos. . Luego se irradia con un láser de control, se recupera la luz pulsada y sale de la nube de átomos. Entonces, el pulso comprimido originalmente se estira nuevamente y se restablece la velocidad. Todo el proceso de ingresar información de luz pulsada en una nube atómica es similar a leer, almacenar y restablecer en una computadora, por lo que esta tecnología es útil para la realización de computadoras cuánticas.

El mundo de "femtosegundo" a "attosegundo"
femtosegundosestán más allá de nuestra imaginación. Ahora estamos de vuelta en el mundo de los attosegundos, que son más cortos que los femtosegundos. A es una abreviatura del prefijo SI atto. 1 attosegundo = 1 × 10^-18 segundos = una milésima de femtosegundo. Los pulsos de attosegundos no se pueden hacer con luz visible porque se deben usar longitudes de onda de luz más cortas para acortar el pulso. Por ejemplo, en el caso de hacer pulsos con luz roja visible, es imposible hacer pulsos más cortos que esa longitud de onda. La luz visible tiene un límite de alrededor de 2 femtosegundos, para los cuales los pulsos de attosegundos usan rayos X o rayos gamma de longitud de onda más corta. Lo que se descubrirá en el futuro utilizando pulsos de rayos X de attosegundos no está claro. Por ejemplo, el uso de destellos de attosegundos para visualizar biomoléculas nos permite observar su actividad en escalas de tiempo extremadamente cortas y quizás identificar la estructura de las biomoléculas.