쉬운 과학 | 한 기사에서 펨토초 레이저를 이해하십시오!

November 11, 2023

기사의 출처 : 인터넷에서 편집 된 레이저 산업 관찰
펨토초 레이저는 "초고준 펄스 라이트"생성 장치로, 약 1 조의 초만 초보 시간 동안 빛을 방출합니다. FEI는 국제 단위 시스템에서 접두사 FEMTO의 약어이며 1 펨토초 = 1 × 10^-15 초입니다. 소위 펄스 표시등은 잠시 동안 만 빛을 발산합니다. 카메라 플래시의 광 방출 시간은 약 1 마이크로 초이므로 펨토초 초소형 펄스 라이트는 빛을 방출하는 데 약 10 억 분의 시간 만 가지고 있습니다. 우리 모두 알다시피, 빛의 속도는 초당 300,000 킬로미터의 비교할 수없는 속도로 날아갑니다 (1 초에 지구를 7 번 반 반에 돌립니다). 그러나, 한 펨토초에서, 빛은 0.3 미크론 만 발전합니다.
일반적으로 플래시 사진을 사용하여 순간 이동 객체를 캡처합니다. 마찬가지로, 펨토초 레이저를 사용하여 플래시를 사용하면 폭력적인 속도로 발생하는 화학 반응의 모든 조각을 볼 수 있습니다. 이를 위해 펨토초 레이저를 사용하여 화학 반응의 신비를 연구 할 수 있습니다.
일반적인 화학 반응은 소위 "활성화 된 상태"인 높은 에너지를 가진 중간 상태를 통과 한 후 진행됩니다. 활성화 된 상태의 존재는 1889 년 초 화학자 Arrhenius에 의해 이론적으로 예측되었지만, 매우 짧은 순간 동안 존재했기 때문에 직접 관찰 할 수 없었습니다. 그러나 그 존재는 1980 년대 후반에 펨토초 레이저에 의해 직접 입증되었으며, 이는 펨토초 레이저를 사용하여 화학 반응을 정확히 파악하는 예입니다. 예를 들어, 시클로 펜타 논 분자는 활성화 된 상태에서 일산화탄소 및 2 개의 에틸렌 분자로 분해된다.
요즘 펨토초 레이저는 물리, 화학, 생명 과학, 의학 및 공학과 같은 다양한 분야에서도 사용됩니다. 특히, 빛과 전자 제품의 조합은 통신, 컴퓨터 및 에너지 분야에서 다양한 새로운 가능성을 열 것으로 예상됩니다. 이는 빛의 강도가 손실없이 한 장소에서 다른 곳으로 대량의 정보를 전송할 수 있기 때문에 광 통신을 더 빨리 만들 수 있기 때문입니다. 핵 물리학 분야에서 펨토초 레이저는 큰 영향을 미쳤습니다. 펄스 라이트는 매우 강한 전기장을 가지기 때문에 전자를 1 펨토초 내의 빛의 속도에 가깝게 가속화 할 수 있으므로 전자를 가속화하기위한 "가속기"로 사용될 수 있습니다.

의학 적용
위에서 언급 한 바와 같이, 펨토초 내에서 세계에서는 빛조차 얼어 붙고 멀리 움직일 수는 없지만이 시간 규모에서도 물질의 원자와 분자와 컴퓨터 칩 내의 전자는 여전히 회로 내에서 움직이고 있습니다. 펨토초 펄스를 사용하면 즉시 멈추고 무슨 일이 일어나는지 연구 할 수 있습니다. 시간을 정지하기 위해 깜박이는 것 외에도 펨토초 레이저는 200 나노 미터 (2 천 분의 1 밀리미터)의 직경으로 금속의 마이크로 구멍을 금속으로 뚫을 수 있습니다. 이는 짧은 기간 동안 압축 및 잠긴 초시 펄스 라이트가 주변에 추가로 손상되지 않고 초고 출력의 놀라운 효과를 달성한다는 것을 의미합니다. 또한, 펨토초 레이저의 펄스 빛은 물체의 3 차원 이미지를 매우 세밀하게 캡처 할 수 있습니다. 입체 이미지 사진은 의료 진단에 매우 유용하므로 광학 간섭 단층 촬영이라는 새로운 연구 분야를 열어줍니다. 이것은 펨토초 레이저를 사용하여 캡처 된 살아있는 조직 및 살아있는 세포의 3 차원 이미지입니다. 예를 들어, 매우 짧은 빛의 빛은 피부를 향합니다. 맥박 빛은 피부 표면에 반사되며 맥박의 일부는 피부에 방출됩니다. 피부 내부는 많은 층으로 구성됩니다. 피부에 들어가는 맥박 표시등은 작은 맥박으로 튀어 오릅니다. 반사 된 빛의 다양한 펄스 조명의 메아리에서 피부의 내부 구조를 알 수 있습니다.
또한,이 기술은 안과 의학에서 실용성이 뛰어나 눈 깊이 깊은 망막의 3 차원 이미지를 포착 할 수 있습니다. 이를 통해 의사는 조직의 문제를 진단 할 수 있습니다. 이런 종류의 검사는 눈에 국한되지 않습니다. 광섬유를 사용하여 레이저를 신체로 보내면 신체의 다양한 기관의 모든 조직을 검사 할 수 있습니다. 앞으로는 암으로 바뀌 었는지 여부를 감지 할 수도 있습니다.

초고전 시계 실현
과학자들은 가시 광선이 펨토초 레이저 시계를 만드는 데 사용되면 원자 시계보다 시간을 더 정확하게 측정 할 수 있으며 향후 몇 년 동안 세계에서 가장 정확한 시계 역할을 할 것이라고 생각합니다. 시계가 정확하면 자동차 탐색에 사용되는 GPS (Global Positioning System)의 정확도를 크게 향상시킵니다.
가시 광선이 정확한 시계를 만들 수있는 이유는 무엇입니까? 모든 시계와 시계는 진자와 기어의 움직임에 필수 불가결합니다. 정확한 진동 주파수가있는 진자의 스윙을 통해 기어가 몇 초 동안 회전하며 정확한 시계도 예외는 아닙니다. 따라서보다 정확한 시계를 만들려면 진동 주파수가 높은 진자를 사용해야합니다. 석영 시계 (진자 대신 수정 진동을 사용하는 시계)는 석영 공진기가 초당 더 많은 시간에 진동하기 때문에 진자 클록보다 정확합니다.
현재 시간 표준으로 사용되는 세슘 원자 시계는 약 9.2 기가 헤르츠 (Gigahertz의 국제 단위의 접두사, 1 기가 르츠 = 10^9)입니다. 원자 시계는 세슘 원자의 천연 진동 주파수를 사용하고 진동 주파수가 일관된 전자 레인지로 대체합니다. 정확도는 수천만 년 만에 1 초 밖에 걸리지 않습니다. 대조적으로, 가시 광선은 마이크로파 진동 주파수보다 100,000 ~ 1,000,000 배 높은 진동 주파수를 갖는다. 즉, 가시 광선 에너지를 사용하여 원자 시계보다 수백만 배 더 정확한 정밀 클록을 생성 할 수 있습니다. 가시 광선을 사용하는 세계에서 가장 정확한 시계는 이제 실험실에 성공적으로 내장되었습니다.
아인슈타인의 상대성 이론은이 정확한 시계의 도움으로 검증 될 수 있습니다. 우리는 실험실과 다른 하나를 사무실에 아래층에 놓았으며 가능한 상황을 고려했습니다. 1 ~ 2 시간 후, 결과는 아인슈타인의 상대성 이론에 의해 예측 된 바와 같이. 두 가지 때문에 바닥 사이에 다른 "중력장"이 있으므로 두 시계는 더 이상 동시에 가리키지 않으며 아래층의 시계는 위층 시계보다 느리게 작동합니다. 더 정확한 시계가 사용된다면, 아마도 손목과 발목에 착용 된 시계조차도 그날 다른 시간을 알려줄 것입니다. 우리는 단순히 정확한 시계의 도움으로 상대성의 매력을 경험할 수 있습니다.

경도가 느려지는 기술
1999 년 미국의 Hubbard University의 Rainer Howe 교수는 초당 17 미터까지 빛을 성공적으로 속도를 늦췄으며, 자동차가 따라 잡을 수있는 속도를 한 다음 자전거조차 따라 잡을 수있는 속도로 빛을 성공적으로 느리게했습니다. 이 실험은 물리학에서 가장 최첨단 연구를 포함합니다. 이 기사는 실험의 성공에 대한 두 가지 열쇠 만 소개합니다. 하나는 Bose-Einstein 응축수라고 불리는 특수 가스 상태 인 절대 0 (-273.15 ° C)에 가까운 매우 저온 나트륨 원자의 "구름"을 구축하는 것입니다. 다른 하나는 진동 주파수 (제어 레이저)를 조정하고이를 사용하여 나트륨 원자 구름을 밝히는 데 사용되는 레이저이며, 놀라운 일이 발생합니다.
과학자들은 먼저 제어 레이저를 사용하여 원자 구름에서 맥박 표시등을 압축하고 매우 느리게합니다. 그런 다음 제어 레이저를 끄고 펄스 표시등이 사라집니다. 펄스 광에 수행 된 정보는 원자 구름에 저장됩니다. . 그런 다음 제어 레이저로 조사되고 펄스 표시등이 복원되어 원자 구름에서 벗어납니다. 결과적으로, 원래 압축 펄스가 다시 넓어지고 속도가 회복됩니다. 펄스 가벼운 정보를 원자 클라우드에 입력하는 전체 프로세스는 컴퓨터의 읽기, 저장 및 재설정과 매우 유사합니다. 따라서이 기술은 양자 컴퓨터의 실현을 실현하는 데 도움이 될 수 있습니다.

"femtosecond"의 세계에서 "Attosecond"까지

펨토초는 우리의 상상력을 벗어납니다. 이제 우리는 펨토초보다 짧은 Attoseconds의 세계로 환기하고 있습니다. Ah는 국제 단위 시스템의 접두사 "Atto"의 약어입니다. 1 Attosecond = 1 × 10^-18 초 = 펨토초의 천분의 1 천분. 펄스를 단축하려면 더 짧은 파장 조명을 사용해야하기 때문에 가시 광선으로 Attosecond 펄스를 만들 수 없습니다. 예를 들어, 빨간색 보이는 빛을 사용하여 맥박을 만들려면 파장보다 짧은 펄스를 만드는 것은 불가능합니다. 가시 광선의 한계는 약 2 펨토초의 한계를 가지므로 Attosecond Pulses는 파장이 짧은 X- 선 또는 감마선을 사용합니다. Attosecond x-ray 펄스를 사용하여 미래에 무엇이 발견 될지 확실하지 않습니다. 예를 들어, Attosecond Flashes를 사용하여 생체 분자를 시각화하면 매우 짧은 시간 규모로 활동을 관찰하고 생체 분자의 구조를 식별 할 수 있습니다.

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