Laser femtoseconde

A laser femtosecondeest un dispositif générateur de "lumière à impulsions ultracourtes" qui émet de la lumière uniquement pendant une durée ultracourte d'environ un gigaseconde. Fei est l'abréviation de Femto, le préfixe du Système international d'unités, et 1 femtoseconde = 1×10^-15 secondes. La lumière dite pulsée n'émet de la lumière qu'un instant. Le temps d'émission de lumière du flash d'un appareil photo est d'environ 1 microseconde, de sorte que la lumière à impulsions ultra-courtes de femtoseconde n'émet de lumière que pendant environ un milliardième de son temps. Comme nous le savons tous, la vitesse de la lumière est de 300 000 kilomètres par seconde (7 cercles et demi autour de la terre en 1 seconde) à une vitesse inégalée, mais en 1 femtoseconde, même la lumière n'avance que de 0,3 micron.

Souvent, avec la photographie au flash, nous sommes capables de découper l'état momentané d'un objet en mouvement. De même, si un laser femtoseconde est flashé, il est possible de voir chaque fragment de la réaction chimique même si elle se déroule à une vitesse violente. À cette fin, les lasers femtosecondes peuvent être utilisés pour étudier le mystère des réactions chimiques.
Les réactions chimiques générales s'effectuent après passage dans un état intermédiaire à haute énergie, dit "état activé". L'existence d'un état activé a été prédite théoriquement par le chimiste Arrhenius dès 1889, mais elle ne peut pas être directement observée car elle existe depuis très peu de temps. Mais son existence a été directement démontrée par les lasers femtosecondes à la fin des années 1980, un exemple de la façon dont les réactions chimiques peuvent être identifiées avec des lasers femtosecondes. Par exemple, la molécule de cyclopentanone est décomposée en monoxyde de carbone et 2 molécules d'éthylène par l'état activé.
Les lasers femtosecondes sont désormais également utilisés dans un large éventail de domaines tels que la physique, la chimie, les sciences de la vie, la médecine et l'ingénierie, en particulier dans la lumière et l'électronique. En effet, l'intensité de la lumière peut transmettre une grande quantité d'informations d'un endroit à un autre sans presque aucune perte, ce qui accélère encore la communication optique. Dans le domaine de la physique nucléaire, les lasers femtosecondes ont eu un énorme impact. Parce que la lumière pulsée a un champ électrique très fort, il est possible d'accélérer les électrons jusqu'à une vitesse proche de la lumière en 1 femtoseconde, de sorte qu'elle peut être utilisée comme "accélérateur" pour accélérer les électrons.

Application en médecine
Comme mentionné ci-dessus, dans le monde femtoseconde, même la lumière est gelée de sorte qu'elle ne peut pas voyager très loin, mais même à cette échelle de temps, les atomes, les molécules de la matière et les électrons à l'intérieur des puces informatiques se déplacent toujours dans des circuits. Si l'impulsion femtoseconde peut être utilisée pour l'arrêter instantanément, étudiez ce qui se passe. En plus du temps de clignotement pour s'arrêter, les lasers femtosecondes sont capables de percer de minuscules trous dans le métal aussi petits que 200 nanomètres (2/10 000e de millimètre) de diamètre. Cela signifie que la lumière pulsée ultra-courte qui est comprimée et verrouillée à l'intérieur en peu de temps produit un effet étonnant de sortie ultra-élevée et ne cause pas de dommages supplémentaires à l'environnement. De plus, la lumière pulsée du laser femtoseconde peut prendre des images stéréoscopiques extrêmement fines d'objets. L'imagerie stéréoscopique est très utile dans le diagnostic médical, ouvrant ainsi un nouveau champ de recherche appelé tomographie interférentielle optique. Il s'agit d'une image stéréoscopique de tissus vivants et de cellules vivantes prise avec un laser femtoseconde. Par exemple, une très courte impulsion de lumière est dirigée vers la peau, la lumière pulsée est réfléchie sur la surface de la peau et une partie de la lumière pulsée est injectée dans la peau. L'intérieur de la peau est composé de plusieurs couches, et la lumière pulsée pénétrant dans la peau est renvoyée sous la forme d'une petite lumière pulsée, et la structure interne de la peau peut être connue à partir des échos de ces diverses lumières pulsées dans la lumière réfléchie.
De plus, cette technologie a une grande utilité en ophtalmologie, capable de prendre des images stéréoscopiques de la rétine au plus profond de l'œil. Cela permet aux médecins de diagnostiquer s'il y a un problème avec leurs tissus. Ce type d'examen ne se limite pas aux yeux. Si un laser est envoyé dans le corps avec une fibre optique, il est possible d'examiner tous les tissus de divers organes du corps, et il peut même être possible de vérifier s'il est devenu un cancer à l'avenir.

Mise en place d'une horloge ultra-précise
Les scientifiques pensent que si unlaser femtosecondeest fabriquée à l'aide de la lumière visible, elle sera capable de mesurer le temps avec plus de précision que les horloges atomiques, et ce sera l'horloge la plus précise au monde pour les années à venir. Si l'horloge est précise, la précision du GPS (Global Positioning System) utilisé pour la navigation automobile est également grandement améliorée.
Pourquoi la lumière visible peut-elle faire une horloge précise ? Toutes les horloges et horloges sont indissociables du mouvement d'un pendule et d'un engrenage, et grâce à l'oscillation du pendule avec une fréquence de vibration précise, l'engrenage tourne pendant des secondes, et une horloge précise ne fait pas exception. Par conséquent, afin de rendre une horloge plus précise, il est nécessaire d'utiliser un pendule avec une fréquence de vibration plus élevée. Les horloges à quartz (horloges qui oscillent avec des cristaux au lieu de pendules) sont plus précises que les horloges à pendule car le résonateur à quartz oscille plus de fois par seconde.
L'horloge atomique au césium, qui est maintenant l'étalon de temps, oscille à une fréquence d'environ 9,2 gigahertz (le préfixe de l'unité internationale giga, 1 giga = 10^9). L'horloge atomique utilise la fréquence d'oscillation naturelle des atomes de césium pour remplacer le pendule par des micro-ondes avec la même fréquence d'oscillation, et sa précision n'est que de 1 seconde en dizaines de millions d'années. En revanche, la lumière visible a une fréquence d'oscillation 100 000 à 1 000 000 fois supérieure à celle des micro-ondes, c'est-à-dire qu'elle utilise l'énergie de la lumière visible pour créer une horloge de précision des millions de fois plus précise que les horloges atomiques. L'horloge la plus précise au monde utilisant la lumière visible a maintenant été construite avec succès en laboratoire.
Avec l'aide de cette horloge précise, la théorie de la relativité d'Einstein peut être vérifiée. Nous avons mis une de ces horloges précises dans le laboratoire et l'autre dans le bureau du rez-de-chaussée, compte tenu de ce qui pourrait arriver, après une heure ou deux, le résultat était tel que prédit par la théorie de la relativité d'Einstein, en raison des deux Il existe différents "champs gravitationnels " entre les étages, les deux horloges n'indiquent plus la même heure, et celle du bas tourne moins vite que celle du haut. Avec une horloge plus précise, peut-être que même l'heure au poignet et à la cheville serait différente ce jour-là. Nous pouvons simplement découvrir la magie de la relativité à l'aide d'horloges précises.

Technologie de ralentissement de la vitesse de la lumière
En 1999, le professeur Rainer Howe de l'Université Hubbard aux États-Unis a réussi à ralentir la lumière à 17 mètres par seconde, une vitesse qu'une voiture peut rattraper, puis à ralentir avec succès à un niveau que même un vélo peut rattraper. Cette expérience implique les recherches les plus pointues en physique, et cet article ne présente que deux clés du succès de l'expérience. L'une consiste à construire un "nuage" d'atomes de sodium à une température extrêmement basse proche du zéro absolu (-273,15°C), un état gazeux spécial appelé condensat de Bose-Einstein. L'autre est un laser qui module la fréquence vibratoire (le laser de contrôle) et irradie un nuage d'atomes de sodium avec, et par conséquent, des choses incroyables se produisent.
Les scientifiques utilisent d'abord le laser de contrôle pour comprimer la lumière pulsée dans le nuage d'atomes, et la vitesse est extrêmement ralentie. A ce moment, le laser de contrôle est éteint, la lumière pulsée disparaît et les informations transportées par la lumière pulsée sont stockées dans le nuage d'atomes. . Puis il est irradié avec un laser de contrôle, la lumière pulsée est récupérée, et elle sort du nuage d'atomes. Ainsi, l'impulsion compressée à l'origine est à nouveau étirée et la vitesse est restaurée. L'ensemble du processus d'entrée d'informations de lumière pulsée dans un nuage atomique est similaire à la lecture, au stockage et à la réinitialisation dans un ordinateur, cette technologie est donc utile pour la réalisation d'ordinateurs quantiques.

Le monde de "femtoseconde" à "attoseconde"
Femtosecondesdépassent notre imagination. Nous sommes maintenant de retour dans le monde des attosecondes, qui sont plus courtes que les femtosecondes. A est une abréviation du préfixe SI atto. 1 attoseconde = 1 × 10^-18 secondes = un millième de femtoseconde. Les impulsions attosecondes ne peuvent pas être réalisées avec de la lumière visible car des longueurs d'onde de lumière plus courtes doivent être utilisées pour raccourcir l'impulsion. Par exemple, dans le cas de la réalisation d'impulsions avec de la lumière visible rouge, il est impossible de réaliser des impulsions plus courtes que cette longueur d'onde. La lumière visible a une limite d'environ 2 femtosecondes, pour lesquelles les impulsions attosecondes utilisent des rayons X ou des rayons gamma de longueur d'onde plus courte. Ce qui sera découvert à l'avenir en utilisant des impulsions de rayons X attosecondes n'est pas clair. Par exemple, l'utilisation de flashs attosecondes pour visualiser des biomolécules permet d'observer leur activité sur des échelles de temps extrêmement courtes, et peut-être de repérer la structure des biomolécules.