펨토초 레이저의 응용

펨토초 레이저는 약 1기가비트 초의 매우 짧은 시간 동안 빛을 방출하는 "초단파 펄스 광" 생성 장치입니다. 펨토는 1펨토초= 1 × 10^-15초인 국제 단위 시스템 펨토(펨토)의 약어입니다. 소위 펄스 라이트는 순간적으로만 빛을 방출합니다. 카메라 플래시의 발광 시간은 약 1마이크로초이므로 펨토초 빛의 초단 펄스는 빛을 방출하는 시간의 약 10억분의 1에 불과합니다. 우리 모두가 알고 있듯이 빛의 속도는 초당 300km000km(1초에 지구 주위를 7주 반) 비교할 수 없는 속도이지만 1펨토초 동안 빛조차도 0.3미크론 앞으로만 갑니다.
일반적으로 우리는 움직이는 물체의 순간적인 상태를 잘라낼 수 있도록 플래시 촬영을 사용합니다. 마찬가지로 펨토초 레이저 플래시를 사용하면 격렬한 속도로 진행되는 화학 반응의 모든 조각을 볼 수 있습니다. 이러한 이유로 펨토초 레이저는 화학 반응의 신비를 연구하는 데 사용될 수 있습니다.
일반적으로 화학 반응은 소위 "활성화 상태"라고 하는 고에너지 중간 상태 이후에 발생합니다. 활성화 상태의 존재는 1889년 화학자 Arrhenius에 의해 이론적으로 예측되었지만 매우 짧은 시간에 존재했기 때문에 직접 관찰할 수 없었습니다. 그러나 1980년대 후반 펨토초 레이저에 의해 그 존재가 직접적으로 증명되었으며, 이는 펨토초 레이저로 확인된 화학 반응의 예이다. 예를 들어, 사이클로펜타논 분자가 일산화탄소와 활성화된 상태의 2개의 에틸렌 분자로 분해됩니다.
오늘날 펨토초 레이저는 물리학, 화학, 생명과학, 의학, 공학 등 다양한 분야에서 사용되고 있습니다. 통신 또는 컴퓨터 및 에너지 분야. 빛의 세기가 많은 양의 정보를 한 곳에서 다른 곳으로 거의 손실 없이 전달할 수 있어 광통신이 더욱 고속화되기 때문이다. 핵 물리학 분야에서 펨토초 레이저는 엄청난 영향을 미쳤습니다. 펄스광은 매우 강한 전기장을 가지고 있기 때문에 전자를 1펨토초에 빛의 속도에 가깝게 가속할 수 있으므로 전자를 가속하는 "가속 페달"로 사용할 수 있습니다.
의료용 애플리케이션
위에서 언급했듯이 펨토초의 세계는 너무 얼어서 빛조차 멀리 이동할 수 없지만 이 시간 규모에서도 물질의 원자와 분자와 컴퓨터 칩 내부 회로의 전자는 여전히 움직입니다. 펨토초 펄스를 사용하면 즉시 멈추고 무슨 일이 일어나고 있는지 연구할 수 있습니다. 시간을 멈추는 플래시 외에도 펨토초 레이저는 직경이 200나노미터(밀리미터의 2/1000)까지 금속에 미세한 구멍을 뚫을 수 있습니다. 즉, 짧은 시간 동안 내부에 압축되고 고정된 초단파 펄스의 빛이 주변 지역에 추가 손상 없이 놀랍도록 높은 출력을 얻습니다. 또한 펨토초 레이저의 펄스광은 피사체의 매우 미세한 스테레오 이미지를 촬영할 수 있습니다. 입체 사진은 의료 진단에 매우 유용하여 광학 간섭 단층 촬영이라는 새로운 연구 분야를 열었습니다. 이것은 살아있는 조직과 세포의 입체 이미지를 찍기 위해 펨토초 레이저를 사용하는 것입니다. 예를 들어, 매우 짧은 펄스의 광이 피부를 향하고 펄스 광은 피부 표면에서 반사되며 펄스 광의 일부는 피부로 향합니다. 피부 내부는 여러 층으로 구성되어 있으며, 피부에 입사된 펄스광은 작은 펄스로 반사되며, 이러한 형태의 펄스광이 반사광에 반사되는 메아리로부터 피부의 내부 구조를 알 수 있습니다. 피부.
또한 이 기술은 안구 깊숙이 망막의 입체 영상을 촬영할 수 있는 안과 분야에서도 활용도가 높다. 따라서 의사는 조직에 문제가 있는지 여부를 진단할 수 있습니다. 이 검사는 눈에만 국한된 검사가 아니라 레이저를 광섬유로 체내에 보내면 체내 여러 장기의 모든 조직을 검사할 수 있고, 앞으로는 그것이 되었는지 확인하는 것도 가능할지도 모른다. 암.
초정밀 시계 달성
과학자들은 가시광선을 이용해 펨토초 레이저로 시계를 만들면 원자시계보다 더 정밀하게 시간을 측정할 수 있고 앞으로 몇 년 안에 세계에서 가장 정확한 시계가 될 것이라고 믿고 있다. 시계가 정확하면 자동차 내비게이션에 사용되는 GPS(Global Positioning System)의 정확도도 크게 향상됩니다.
가시광선이 정확한 시계를 만들 수 있는 이유는 무엇입니까? 모든 시계와 시계에는 정확한 진동 주파수로 진자의 스윙을 통해 이동을 위한 진자와 기어가 없으므로 기어가 초 단위로 회전하므로 정확한 시계도 예외는 아닙니다. 따라서 보다 정확한 시계를 만들기 위해서는 더 높은 주파수의 진동을 가진 진자를 사용할 필요가 있습니다. 석영 시계(진자 대신 수정 진동이 있는 시계)는 진자 시계보다 더 정확하며, 이는 석영 공진기가 초당 더 많이 진동하기 때문입니다.
현재 시간의 기준이 되는 세슘 원자시계의 진동수는 약 9.2기가헤르츠(국제 단위 기가의 헤드, 1기가= 10^9)이다. 원자 시계는 세슘 원자 고유의 진동 주파수를 사용하며 진동 주파수는 진자 대신 마이크로웨이브와 일치하며 정확도는 수천만 년에 불과 1초 차이입니다. 반대로 가시광선은 마이크로웨이브 발진 주파수보다 100000 100만 배 더 높은 발진 주파수를 가지고 있습니다. 이제 가시광선을 이용한 세계에서 가장 정확한 시계가 실험실에서 성공적으로 구축되었습니다.
이 정확한 시계의 도움으로 아인슈타인의 상대성 이론을 검증할 수 있습니다. 우리는 실험실에 있는 정확한 시계가 될 것이고, 다른 하나는 아래층 사무실에 있을 것입니다. 가능한 상황을 고려하십시오. 1~2시간 후에 아인슈타인의 상대성 이론에 의해 예측된 결과는 두 층이 서로 다른 "중력장"을 가지고 있기 때문입니다. 두 시계 사이는 더 이상 같은 시간을 가리키지 않고, 위층 시계보다 아래층 시계가 위층 시계보다 느리게 움직입니다. 더 정확한 시계라면 손목과 발목의 시계도 그날의 시간이 같지 않을 것입니다. 우리는 정확한 시계의 도움으로 상대성 이론의 매력을 간단히 경험할 수 있습니다.
빛 감속 기술
1999년 미국 허바트 대학의 라이너 하우 교수는 빛을 초속 17미터로 줄이는 데 성공했는데, 이는 자동차가 따라잡을 수 있는 속도, 나중에는 자전거도 따라잡을 수 있는 속도입니다. 이 실험은 물리학의 최전선에 있는 연구를 수반하며, 본 논문에서는 실험 성공의 두 가지 열쇠만 제시한다. 하나는 절대 영도(-273.15도)에 가까운 극도로 낮은 온도에서 나트륨 원자의 "구름"을 구성하는 것으로, 보스-아인슈타인 응축물로 알려진 특수 기체 상태입니다. 다른 하나는 진동 주파수를 조절하고 나트륨 원자 구름을 조사하는 레이저(제어 레이저)로 놀라운 일이 발생합니다.
우선, 제어 레이저의 도움으로 펄스 광이 원자 구름에 압축되어 극도의 속도로 느려졌습니다. 그런 다음 제어 레이저가 다시 빛나고 펄스 광이 복원되어 원자 구름에서 나옵니다. 압축된 펄스는 다시 넓어지고 속도가 복원됩니다. 펄스광 정보를 원자 구름에 입력하는 전 과정은 컴퓨터에서 읽고 저장하고 재설정하는 것과 유사하므로 이 기술은 양자 컴퓨터 구현에 유용합니다.
"펨토초"에서 "아토초" 세계로
펨토초는 이미 우리의 상상을 초월합니다. 이제 우리는 펨토초보다 더 짧은 "아토초"의 세계로 모험을 떠나고 있습니다. A는 SI(International System of Units) 단어 atto의 약어입니다. 1 attosecond=1 x 10^-18초=1 펨토초의 천분의 일입니다. 아토초 펄스는 더 짧은 파장의 빛으로 더 짧은 펄스를 만들어야 하기 때문에 가시광선으로는 만들 수 없습니다. 예를 들어 적색 가시광선으로 펄스를 만들고자 한다면 그보다 짧은 파장의 펄스를 만들 수는 없다. 가시광선은 약 2펨토초의 한계이며, 이러한 이유로 아토초 펄스는 더 짧은 파장의 X선 또는 감마선으로 만들어집니다. 아토초 X선 펄스를 사용하여 미래에 무엇을 찾을 수 있는지는 명확하지 않습니다. 예를 들어, 생체 분자를 시각화하기 위해 아토초 인터플래시를 사용하면 매우 짧은 시간 척도에서 활동을 관찰하고 아마도 생체 분자의 구조를 식별할 수 있습니다.