ليزر الفيمتو ثانية

A ليزر الفيمتو ثانيةهو جهاز توليد "ضوء نبضي فائق القصر" يبعث الضوء فقط لفترة قصيرة جدًا تبلغ حوالي غيغا ثانية. Fei هو اختصار لـ Femto ، بادئة النظام الدولي للوحدات ، و 1 فيمتوثانية = 1 × 10 ^ -15 ثانية. ما يسمى بالضوء النبضي يبعث الضوء فقط للحظة واحدة. يبلغ وقت انبعاث الضوء من وميض الكاميرا حوالي 1 ميكروثانية ، لذلك فإن النبضات الضوئية القصيرة جدًا التي تبلغ فيمتوثانية لا تبعث الضوء إلا لحوالي واحد من المليار من الوقت. كما نعلم جميعًا ، تبلغ سرعة الضوء 300000 كيلومتر في الثانية (7 دوائر ونصف حول الأرض في ثانية واحدة) بسرعة لا مثيل لها ، ولكن في 1 فيمتوثانية ، حتى الضوء يتقدم بمقدار 0.3 ميكرون فقط.

في كثير من الأحيان ، مع التصوير الفوتوغرافي بالفلاش ، يمكننا قطع الحالة اللحظية لكائن متحرك. وبالمثل ، إذا تم وميض ليزر الفيمتوثانية ، فمن الممكن رؤية كل جزء من التفاعل الكيميائي حتى أثناء تقدمه بسرعة عنيفة. تحقيقا لهذه الغاية ، يمكن استخدام ليزر الفيمتو ثانية لدراسة لغز التفاعلات الكيميائية.
تحدث التفاعلات الكيميائية العامة بعد المرور بحالة وسيطة ذات طاقة عالية ، تسمى "الحالة المنشطة". تم توقع وجود حالة نشطة نظريًا بواسطة الكيميائي أرهينيوس في وقت مبكر من عام 1889 ، ولكن لا يمكن ملاحظتها مباشرة لأنها موجودة لفترة قصيرة جدًا. ولكن تم إثبات وجوده بشكل مباشر بواسطة ليزر الفيمتوثانية في أواخر الثمانينيات ، وهو مثال على كيفية تحديد التفاعلات الكيميائية باستخدام ليزر الفيمتوثانية. على سبيل المثال ، يتحلل جزيء السيكلوبنتانون إلى أول أكسيد الكربون وجزيئين إيثيلين بواسطة الحالة المنشطة.
تُستخدم ليزر الفيمتو ثانية الآن أيضًا في مجموعة واسعة من المجالات مثل الفيزياء والكيمياء وعلوم الحياة والطب والهندسة ، وخاصة في الضوء والإلكترونيات. وذلك لأن شدة الضوء يمكن أن تنقل كمية كبيرة من المعلومات من مكان إلى آخر دون أي خسارة تقريبًا ، مما يؤدي إلى زيادة سرعة الاتصال البصري. في مجال الفيزياء النووية ، كان لليزر الفيمتو تأثير هائل. نظرًا لأن للضوء النبضي مجالًا كهربائيًا قويًا جدًا ، فمن الممكن تسريع الإلكترونات لتقترب من سرعة الضوء في غضون 1 فيمتوثانية ، لذلك يمكن استخدامها "كمسرّع" لتسريع الإلكترونات.

التطبيق في الطب
كما ذكرنا سابقًا ، في عالم الفيمتوثانية ، يتم تجميد الضوء حتى لا يتمكن من السفر بعيدًا جدًا ، ولكن حتى في هذا النطاق الزمني ، لا تزال الذرات والجزيئات في المادة والإلكترونات داخل رقائق الكمبيوتر تتحرك في دوائر. إذا كان من الممكن استخدام نبض الفيمتو لإيقافه على الفور ، فقم بدراسة ما يحدث. بالإضافة إلى وميض وقت التوقف ، فإن ليزر الفيمتوثانية قادر على حفر ثقوب صغيرة في المعدن يصل قطرها إلى 200 نانومتر (2/10000 من المليمتر). هذا يعني أن الضوء النبضي شديد القصر الذي يتم ضغطه وإغلاقه بالداخل في فترة قصيرة من الوقت يحقق تأثيرًا مذهلاً لإخراج فائق الارتفاع ، ولا يتسبب في أضرار إضافية للمحيط. علاوة على ذلك ، يمكن للضوء النبضي لليزر الفيمتو ثانية التقاط صور مجسمة دقيقة للغاية للأشياء. يعد التصوير المجسم مفيدًا جدًا في التشخيص الطبي ، وبالتالي يفتح مجالًا جديدًا للبحث يسمى التصوير المقطعي بالتداخل البصري. هذه صورة مجسمة لأنسجة حية وخلايا حية مأخوذة بواسطة ليزر فيمتوثانية. على سبيل المثال ، يتم توجيه نبضة ضوئية قصيرة جدًا إلى الجلد ، وينعكس الضوء النابض على سطح الجلد ، ويتم حقن جزء من الضوء النبضي في الجلد. يتكون الجزء الداخلي من الجلد من عدة طبقات ، وينعكس الضوء النبضي الذي يدخل الجلد مرة أخرى كضوء نابض صغير ، ويمكن التعرف على البنية الداخلية للجلد من أصداء هذه النبضات الضوئية المختلفة في الضوء المنعكس.
بالإضافة إلى ذلك ، فإن هذه التقنية لها فائدة كبيرة في طب العيون ، فهي قادرة على التقاط صور مجسمة لشبكية العين في أعماق العين. يسمح هذا للأطباء بتشخيص ما إذا كانت هناك مشكلة في أنسجتهم. هذا النوع من الفحص لا يقتصر على العيون. إذا تم إرسال الليزر إلى الجسم باستخدام الألياف الضوئية ، فمن الممكن فحص جميع أنسجة الأعضاء المختلفة في الجسم ، وقد يكون من الممكن التحقق مما إذا كان قد أصبح سرطانًا في المستقبل.

تنفيذ ساعة فائقة الدقة
يعتقد العلماء أنه إذا أليزر الفيمتو ثانيةصُنعت الساعة باستخدام الضوء المرئي ، وستكون قادرة على قياس الوقت بدقة أكبر من الساعات الذرية ، وستكون أكثر الساعات دقة في العالم لسنوات قادمة. إذا كانت الساعة دقيقة ، فسيتم أيضًا تحسين دقة GPS (نظام تحديد المواقع العالمي) المستخدم في التنقل بالسيارة.
لماذا يمكن للضوء المرئي أن يصنع ساعة دقيقة؟ جميع الساعات والساعات لا يمكن فصلها عن حركة البندول والعتاد ، ومن خلال تذبذب البندول بتردد اهتزاز دقيق ، يدور الترس لثوانٍ ، والساعة الدقيقة ليست استثناءً. لذلك ، من أجل صنع ساعة أكثر دقة ، من الضروري استخدام بندول ذي تردد اهتزاز أعلى. تعتبر ساعات الكوارتز (الساعات التي تتأرجح مع البلورات بدلاً من البندول) أكثر دقة من ساعات البندول لأن مرنان الكوارتز يتأرجح مرات أكثر في الثانية.
تتأرجح الساعة الذرية للسيزيوم ، والتي هي الآن المعيار الزمني ، بتردد يبلغ حوالي 9.2 جيجا هرتز (بادئة وحدة جيجا هرتز الدولية ، 1 جيجا = 10 ^ 9). تستخدم الساعة الذرية تردد التذبذب الطبيعي لذرات السيزيوم لاستبدال البندول بأفران ميكروويف بنفس تردد التذبذب ، ودقتها لا تتجاوز ثانية واحدة في عشرات الملايين من السنين. في المقابل ، يكون للضوء المرئي تردد تذبذب أعلى من 100000 إلى 1000000 مرة من تردد الموجات الدقيقة ، أي باستخدام طاقة الضوء المرئي لإنشاء ساعة دقيقة بملايين المرات أكثر دقة من الساعات الذرية. أدق ساعة في العالم تستخدم الضوء المرئي تم تصنيعها الآن بنجاح في المختبر.
بمساعدة هذه الساعة الدقيقة ، يمكن التحقق من نظرية النسبية لأينشتاين. وضعنا إحدى هاتين الساعتين الدقيقتين في المختبر والأخرى في مكتب الطابق السفلي ، مع الأخذ في الاعتبار ما قد يحدث ، بعد ساعة أو ساعتين ، كانت النتيجة كما تنبأت نظرية النسبية لأينشتاين ، نظرًا لوجود "حقول جاذبية" مختلفة "بين الطوابق ، لم تعد الساعتان تشيران إلى نفس الوقت ، والساعة في الطابق السفلي تعمل بشكل أبطأ من تلك الموجودة في الطابق العلوي. مع وجود ساعة أكثر دقة ، ربما يختلف الوقت على المعصم والكاحل في ذلك اليوم. يمكننا ببساطة تجربة سحر النسبية بمساعدة الساعات الدقيقة.

تقنية إبطاء سرعة الضوء
في عام 1999 ، نجح البروفيسور راينر هاو من جامعة هوبارد في الولايات المتحدة في إبطاء الضوء إلى 17 مترًا في الثانية ، وهي سرعة تستطيع السيارة اللحاق بها ، ثم نجحت في إبطاء سرعتها إلى مستوى يمكن حتى للدراجة اللحاق به. تتضمن هذه التجربة أحدث الأبحاث في الفيزياء ، ولا تقدم هذه المقالة سوى مفتاحين لنجاح التجربة. الأول هو بناء "سحابة" من ذرات الصوديوم عند درجة حرارة منخفضة للغاية قريبة من الصفر المطلق (-273.15 درجة مئوية) ، وهي حالة غاز خاصة تسمى مكثف بوز-أينشتاين. الآخر هو الليزر الذي يعدل التردد الاهتزازي (الليزر للتحكم) ويشع به سحابة من ذرات الصوديوم ، ونتيجة لذلك تحدث أشياء لا تصدق.
يستخدم العلماء أولاً ليزر التحكم لضغط الضوء النبضي في سحابة الذرات ، وتكون السرعة بطيئة للغاية. في هذا الوقت ، يتم إيقاف تشغيل ليزر التحكم ، ويختفي الضوء النبضي ، ويتم تخزين المعلومات المحمولة على الضوء النبضي في سحابة الذرات. . ثم يتم تشعيعه بليزر التحكم ، ويتم استعادة الضوء النبضي ويخرج من سحابة الذرات. لذلك يتم شد النبضة المضغوطة في الأصل مرة أخرى وتتم استعادة السرعة. تشبه العملية الكاملة لإدخال معلومات الضوء النبضي في سحابة ذرية القراءة والتخزين وإعادة التعيين في الكمبيوتر ، لذا فإن هذه التقنية مفيدة في تحقيق أجهزة الكمبيوتر الكمومية.

العالم من "فيمتوثانية" إلى "أتو ثانية"
فيمتوثانيةتفوق خيالنا. عدنا الآن إلى عالم الأتوثانية ، وهي أقصر من الفيمتوثانية. A هو اختصار لبادئة SI atto. 1 أتو ثانية = 1 × 10 ^ -18 ثانية = واحد على ألف من فيمتوثانية. لا يمكن عمل نبضات أتو ثانية بالضوء المرئي لأنه يجب استخدام أطوال موجية أقصر من الضوء لتقصير النبض. على سبيل المثال ، في حالة صنع نبضات بضوء أحمر مرئي ، من المستحيل عمل نبضات أقصر من هذا الطول الموجي. الضوء المرئي له حد يبلغ حوالي 2 فيمتوثانية ، حيث تستخدم نبضات الأتوثانية أشعة سينية ذات أطوال موجية أقصر أو أشعة جاما. ما سيتم اكتشافه في المستقبل باستخدام نبضات الأشعة السينية أتوثانية غير واضح. على سبيل المثال ، يتيح لنا استخدام ومضات أتوثانية لتصور الجزيئات الحيوية مراقبة نشاطها على نطاقات زمنية قصيرة للغاية ، وربما تحديد بنية الجزيئات الحيوية.