Femtosekundlasertillämpningar inom medicin

A Femtosekund laserär en "ultra-kort pulsljus" genererande enhet som sänder ut ljus under en ultrakort tid på endast cirka en biljondels sekund. Fei är förkortningen av prefixet femto i International System of Units, och 1 femtosekund=1×10^-15 sekunder. Det så kallade pulsljuset avger ljus endast för ett ögonblick. Ljusemissionstiden för en kamerans blixt är cirka 1 mikrosekund, så det femtosekunds ultrakorta pulsljuset har bara cirka en miljarddel av sin tid på sig att avge ljus. Som vi alla vet flyger ljusets hastighet med en oöverträffad hastighet på 300,000 kilometer per sekund (cirklar jorden sju och en halv gånger på en sekund). Men på en femtosekund går ljuset bara fram 0,3 mikron.

Vanligtvis använder vi blixtfotografering för att fånga det ögonblickliga tillståndet av rörliga föremål. På samma sätt, om du använder en femtosekundlaser för att blixt, är det möjligt att se varje fragment av en kemisk reaktion som sker i en våldsam hastighet. För att göra detta kan femtosekundlasrar användas för att studera kemiska reaktioners mysterier.

Allmänna kemiska reaktioner fortgår efter att ha passerat ett mellantillstånd med hög energi, det så kallade "aktiverade tillståndet". Förekomsten av det aktiverade tillståndet förutspåddes teoretiskt av kemisten Arrhenius redan 1889, men eftersom det existerade under ett mycket kort ögonblick kunde det inte direkt observeras. Men dess existens visades direkt i slutet av 1980-talet av femtosekundslasrar, ett exempel på att använda femtosekundslasrar för att lokalisera kemiska reaktioner. Till exempel sönderdelas cyklopentanonmolekylen till kolmonoxid och 2 etylenmolekyler i aktiverat tillstånd.

Nuförtiden används femtosekundlasrar också inom ett brett spektrum av områden som fysik, kemi, biovetenskap, medicin och teknik. I synnerhet förväntas kombinationen av ljus och elektronik öppna upp för olika nya möjligheter inom områdena kommunikation, datorer och energi. Detta beror på att ljusets intensitet kan överföra stora mängder information från en plats till en annan nästan utan förlust, vilket gör optisk kommunikation ännu snabbare. Inom kärnfysikområdet har femtosekundlasrar gjort en enorm inverkan. Eftersom pulsat ljus har ett mycket starkt elektriskt fält är det möjligt att accelerera elektroner till nära ljusets hastighet inom 1 femtosekund, så det kan användas som en "accelerator" för att accelerera elektroner.

Tillämpning inom medicin
Som nämnts ovan, i världen inom femtosekunder, är till och med ljus fruset och kan inte röra sig särskilt långt, men även på denna tidsskala rör sig fortfarande atomer och molekyler i materia och elektroner inuti datorchips inom kretsen. Om du använder en femtosekundspuls kan du stoppa den omedelbart och studera vad som händer. Förutom att blinka för att stoppa tiden kan femtosekundlasrar också borra mikrohål i metall med en diameter så liten som 200 nanometer (två tiotusendelar av en millimeter). Detta innebär att det ultrakorta pulsljuset som komprimeras och låses inuti på kort tid uppnår en fantastisk effekt av ultrahög effekt utan att orsaka ytterligare skada på omgivningen. Dessutom kan det pulserade ljuset från femtosekundlasrar fånga tredimensionella bilder av objekt med extremt fina detaljer. Stereoskopisk bildfotografering är mycket användbar vid medicinsk diagnos, vilket öppnar upp ett nytt forskningsfält som kallas optisk interferenstomografi. Detta är en tredimensionell bild av levande vävnad och levande celler som fångats med en femtosekundlaser. Till exempel riktas en mycket kort ljuspuls mot huden. Pulsljuset reflekteras på hudens yta, och en del av pulsljuset sänds ut i huden. Insidan av huden består av många lager. Pulsljuset som kommer in i huden studsar tillbaka som ett litet pulsljus. Från ekon av dessa olika pulsljus i det reflekterade ljuset kan hudens inre struktur vara känd.

Dessutom har denna teknik stor praktisk funktion inom oftalmisk medicin, som kan fånga tredimensionella bilder av näthinnan djupt i ögat. Detta gör att läkare kan diagnostisera problem med sina vävnader. Denna typ av undersökning är inte begränsad till ögonen. Om en laser skickas in i kroppen med hjälp av optisk fiber kan den undersöka alla vävnader i olika organ i kroppen. I framtiden kan det till och med bli möjligt att upptäcka om det har övergått till cancer.

Realiserar ultraexakta klockor
Forskare tror att om synligt ljus används för att göra en femtosekundlaserklocka, kommer den att kunna mäta tiden mer exakt än en atomklocka, och kommer att fungera som världens mest exakta klocka under de närmaste åren. Om klockan är korrekt, förbättrar den också avsevärt noggrannheten hos GPS (Global Positioning System) som används för bilnavigering.

Varför kan synligt ljus göra en exakt klocka? Alla klockor och klockor är oumbärliga för förflyttning av pendlar och kugghjul. Genom svängningen av en pendel med en exakt vibrationsfrekvens roterar kugghjulen i sekunder, och exakta klockor är inget undantag. Därför, för att göra en mer exakt klocka, är det nödvändigt att använda en pendel med en högre vibrationsfrekvens. Kvartsklockor (klockor som använder kristalloscillation istället för en pendel) är mer exakta än pendelklockor eftersom kvartsresonatorn svänger fler gånger per sekund.

Den cesiumatomklocka som för närvarande används som tidsstandard har en svängningsfrekvens på cirka 9,2 gigahertz (prefixet för den internationella enheten gigahertz, 1 gigahertz=10^9). Atomklockan använder den naturliga oscillationsfrekvensen hos cesiumatomer och ersätter pendeln med mikrovågor vars svängningsfrekvens är konsekvent. Dess noggrannhet är bara en sekund på tiotals miljoner år. Däremot har synligt ljus en oscillationsfrekvens som är 100,000 till 1,000,000 gånger högre än mikrovågsoscillationsfrekvensen. Det vill säga energi från synligt ljus kan användas för att skapa precisionsklockor som är miljontals gånger mer exakta än atomklockor. Världens mest exakta klocka som använder synligt ljus har nu framgångsrikt byggts i ett laboratorium.

Einsteins relativitetsteori kan verifieras med hjälp av denna exakta klocka. Vi placerade en sådan exakt klocka i laboratoriet och den andra på kontoret på nedervåningen och övervägde möjliga situationer. Efter en eller två timmar var resultatet som förutspåtts av Einsteins relativitetsteori. På grund av de två Det finns olika "gravitationsfält" mellan våningarna, så de två klockorna pekar inte längre på samma tid, och klockan på nedervåningen går långsammare än klockan på övervåningen. Om en mer exakt klocka användes, kanske till och med klockorna som bärs på handleden och vristen skulle berätta olika tider den dagen. Vi kan helt enkelt uppleva relativitetens charm med hjälp av exakta klockor.

teknik för långsammare ljushastighet
1999 sänkte professor Rainer Howe vid Hubbard-universitetet i USA framgångsrikt ljuset till 17 meter per sekund, en hastighet som bilar kan hinna med, för att sedan framgångsrikt sakta ner ljuset till en hastighet som även cyklar kan hinna med. Detta experiment involverar den mest banbrytande forskningen inom fysik. Den här artikeln introducerar bara två nycklar till experimentets framgång. En är att bygga ett "moln" av extremt lågtemperaturnatriumatomer nära absolut noll (-273.15 grader ), ett speciellt gastillstånd som kallas ett Bose-Einstein-kondensat. Den andra är en laser som justerar vibrationsfrekvensen (kontrolllaser), och använder den för att lysa upp ett moln av natriumatomer, och något otroligt händer.

Forskare använder först en kontrolllaser för att komprimera pulsljuset i molnet av atomer och sakta ner det extremt. Sedan stänger de av kontrolllasern och pulsljuset försvinner. Informationen som bärs på pulsljuset lagras i molnet av atomer. . Sedan bestrålas den med en kontrollerad laser, och pulsljuset återställs och går ut ur molnet av atomer. Som ett resultat breddas den ursprungligen komprimerade pulsen igen och hastigheten återställs. Hela processen att mata in pulserad ljusinformation i atommolnet är mycket lik läsning, lagring och återställning i en dator. Därför kan denna teknik hjälpa till att förverkliga kvantdatorer.

Från världen av "femtosecond" till "attosecond"

Femtosekunder är bortom vår fantasi. Nu ger vi oss in i världen av attosekunder, som är kortare än femtosekunder. Ah är förkortningen av prefixet "atto" i International System of Units. 1 attosecond=1×10^-18 sekunder=en tusendels femtosekund. Attosekundpulser kan inte göras med synligt ljus eftersom förkortning av pulserna kräver användning av ljus med kortare våglängd. Om du till exempel vill skapa en puls med rött synligt ljus är det omöjligt att skapa en puls som är kortare än den våglängden. Synligt ljus har en gräns på cirka 2 femtosekunder, så attosekundspulser använder röntgenstrålar eller gammastrålar med kortare våglängder. Det är oklart vad som kommer att upptäckas i framtiden med hjälp av attosecond-röntgenpulser. Genom att till exempel använda attosecond-blixtar för att visualisera biomolekyler kan vi observera deras aktiviteter på en mycket kort tidsskala och kanske identifiera biomolekylernas struktur.

Kontaktinformation:

Om du har några idéer får du gärna prata med oss. Oavsett var våra kunder är och vilka våra krav är, kommer vi att följa vårt mål att ge våra kunder hög kvalitet, låga priser och den bästa servicen.