Femtosekundin lasersovellukset lääketieteessä

A Femtosekundin laseron "ultralyhyen pulssin valon" generoiva laite, joka lähettää valoa erittäin lyhyen ajan, vain noin sekunnin biljoonaosan. Fei on lyhenne etuliitteestä femto kansainvälisessä yksikköjärjestelmässä ja 1 femtosekunti=1×10^-15 sekuntia. Ns. pulssivalo säteilee valoa vain hetken. Kameran salaman valoemissioaika on noin 1 mikrosekunti, joten femtosekunnin ultralyhyen pulssin valolla on vain noin miljardisosa ajastaan ​​valoa. Kuten kaikki tiedämme, valon nopeus lentää ennennäkemättömällä nopeudella 300,{10}} kilometriä sekunnissa (kiertää maapallon seitsemän ja puoli kertaa sekunnissa). Kuitenkin yhdessä femtosekunnissa valo etenee vain 0,3 mikronia.

Yleensä käytämme salamaa kuvaamaan liikkuvien kohteiden hetkellistä tilaa. Vastaavasti, jos käytät femtosekunnin laseria välähtämään, on mahdollista nähdä jokainen kemiallisen reaktion fragmentti, joka tapahtuu rajulla nopeudella. Tätä varten femtosekunditeillä lasereilla voidaan tutkia kemiallisten reaktioiden mysteereitä.

Yleiset kemialliset reaktiot etenevät sen jälkeen, kun ne ovat läpäisseet korkeaenergiaisen välitilan, niin sanotun "aktivoidun tilan". Aktivoidun tilan olemassaolon ennusti teoriassa kemisti Arrhenius jo vuonna 1889, mutta koska se oli olemassa hyvin lyhyen hetken, sitä ei voitu suoraan havaita. Mutta sen olemassaolo osoitti suoraan 1980-luvun lopulla femtosekunditeillä lasereilla, esimerkkinä femtosekunditeillä lasereilla kemiallisten reaktioiden määrittämiseen. Esimerkiksi syklopentanonimolekyyli hajoaa aktivoidussa tilassa hiilimonoksidiksi ja 2 eteenimolekyyliksi.

Nykyään femtosekuntilasereita käytetään myös monilla aloilla, kuten fysiikassa, kemiassa, biotieteissä, lääketieteessä ja tekniikassa. Erityisesti valon ja elektroniikan yhdistämisen odotetaan avaavan uusia mahdollisuuksia viestinnän, tietokoneiden ja energian saralla. Tämä johtuu siitä, että valon voimakkuus voi siirtää suuria määriä tietoa paikasta toiseen lähes häviöttömästi, mikä tekee optisesta viestinnästä entistä nopeampaa. Ydinfysiikan alalla femtosekunditeillä lasereilla on ollut valtava vaikutus. Koska pulssivalolla on erittäin voimakas sähkökenttä, on mahdollista kiihdyttää elektronit lähelle valonnopeutta 1 femtosekunnissa, joten sitä voidaan käyttää "kiihdyttimenä" elektronien kiihdyttämiseen.

Sovellus lääketieteessä
Kuten edellä mainittiin, femtosekuntien sisällä jopa valo on jäässä eikä voi liikkua kovin kauas, mutta jopa tällä aikaskaalalla aineessa olevat atomit ja molekyylit sekä tietokonesirujen sisällä olevat elektronit liikkuvat edelleen piirissä. Jos käytät femtosekunnin pulssia, voit pysäyttää sen välittömästi ja tutkia mitä tapahtuu. Ajan pysäyttämisen vilkkumisen lisäksi femtosekuntilaserit voivat myös porata metalliin mikroreikiä, joiden halkaisija on jopa 200 nanometriä (kaksi kymmenesosaa millimetriä). Tämä tarkoittaa, että erittäin lyhyt pulssivalo, joka puristetaan ja lukitaan sisään lyhyessä ajassa, saavuttaa hämmästyttävän erittäin korkean tehon aiheuttamatta lisävaurioita ympäristölle. Lisäksi femtosekuntilaserien pulssivalo voi ottaa kohteista kolmiulotteisia kuvia erittäin tarkoilla yksityiskohdilla. Stereoskooppinen kuvavalokuvaus on erittäin hyödyllinen lääketieteellisessä diagnoosissa, mikä avaa uuden tutkimusalan nimeltä optinen häiriötomografia. Tämä on kolmiulotteinen kuva elävästä kudoksesta ja elävistä soluista, joka on kuvattu femtosekundin laserilla. Esimerkiksi hyvin lyhyt valopulssi suunnataan iholle. Pulssivalo heijastuu ihon pinnalle ja osa pulssivalosta säteilee ihoon. Ihon sisäpuoli koostuu useista kerroksista. Ihon sisään tuleva pulssivalo palautuu takaisin pienenä pulssivalona. Näiden erilaisten pulssivalojen kaikuista heijastuneessa valossa voidaan tietää ihon sisäinen rakenne.

Lisäksi tällä tekniikalla on suuri käytännöllisyys silmälääketieteessä, sillä se pystyy kaappaamaan kolmiulotteisia kuvia syvällä silmässä olevasta verkkokalvosta. Tämän ansiosta lääkärit voivat diagnosoida kudosten ongelmat. Tällainen tutkimus ei rajoitu silmiin. Jos laser lähetetään kehoon optisen kuidun avulla, se pystyy tutkimaan kaikkia kehon eri elinten kudoksia. Tulevaisuudessa saattaa jopa olla mahdollista havaita, onko siitä tullut syöpä.

Äärimmäisen tarkkojen kellojen toteuttaminen
Tutkijat uskovat, että jos näkyvää valoa käytetään femtosekunnin laserkellon valmistamiseen, se pystyy mittaamaan aikaa tarkemmin kuin atomikello, ja se toimii lähivuosina maailman tarkimpana kellona. Jos kello on tarkka, se parantaa huomattavasti myös autonavigointiin käytettävän GPS:n (Global Positioning System) tarkkuutta.

Miksi näkyvä valo voi tehdä tarkan kellon? Kaikki kellot ovat välttämättömiä heilurien ja hammaspyörien liikkeelle. Tarkalla värähtelytaajuudella varustetun heilurin heilahtelun ansiosta vaihteet pyörivät sekunteja, eivätkä tarkat kellot ole poikkeus. Siksi tarkemman kellon tekemiseksi on tarpeen käyttää heiluria, jolla on korkeampi värähtelytaajuus. Kvartsikellot (kellot, jotka käyttävät kristallivärähtelyä heilurin sijaan) ovat tarkempia kuin heilurikellot, koska kvartsiresonaattori värähtelee useammin sekunnissa.

Tällä hetkellä aikastandardina käytetyn cesiumatomikellon värähtelytaajuus on noin 9,2 gigahertsiä (kansainvälisen gigahertsin yksikön etuliite 1 gigahertsi=10^9). Atomikello käyttää cesiumatomien luonnollista värähtelytaajuutta ja korvaa heilurin mikroaalloilla, joiden värähtelytaajuus on tasainen. Sen tarkkuus on vain yksi sekunti kymmenissä miljoonissa vuosissa. Sitä vastoin näkyvän valon värähtelytaajuus on 100,000 - 1,000,000 kertaa suurempi kuin mikroaaltojen värähtelytaajuus. Toisin sanoen näkyvän valon energialla voidaan luoda tarkkuuskelloja, jotka ovat miljoonia kertoja tarkempia kuin atomikellot. Maailman tarkin näkyvää valoa käyttävä kello on nyt rakennettu onnistuneesti laboratoriossa.

Einsteinin suhteellisuusteoria voidaan varmistaa tämän tarkan kellon avulla. Laitoimme yhden sellaisen tarkan kellon laboratorioon ja toisen alakerran toimistoon ja pohdimme mahdollisia tilanteita. Yhden tai kahden tunnin kuluttua tulos oli sellainen kuin Einsteinin suhteellisuusteoria ennusti. Kahdesta johtuen Kerrosten välillä on erilaisia ​​"gravitaatiokenttiä", joten kaksi kelloa eivät enää osoita samaan aikaan ja alakerran kello käy hitaammin kuin yläkerran kello. Jos käytettäisiin tarkempaa kelloa, ehkä jopa ranteessa ja nilkassa pidettävät kellot kertoisivat eri aikoja sinä päivänä. Voimme yksinkertaisesti kokea suhteellisuusteorian viehätyksen tarkkojen kellojen avulla.

valonnopeutta hidastava tekniikka
Vuonna 1999 professori Rainer Howe Hubbard-yliopistosta Yhdysvalloissa onnistuneesti hidasti valoa 17 metriin sekunnissa, nopeuteen, jonka autot voivat saavuttaa, ja hidasti sitten onnistuneesti valoa nopeuteen, jonka jopa polkupyörät voivat saavuttaa. Tämä koe sisältää fysiikan huippututkimuksen. Tämä artikkeli esittelee vain kaksi avainta kokeilun onnistumiseen. Yksi on rakentaa "pilvi" äärimmäisen alhaisen lämpötilan natriumatomeista lähellä absoluuttista nollaa (-273.15 astetta), erityinen kaasutila, jota kutsutaan Bose-Einstein-kondensaatiksi. Toinen on laser, joka säätää värähtelytaajuutta (ohjauslaser) ja käyttää sitä natriumatomipilven valaisemiseen, ja jotain uskomatonta tapahtuu.

Tiedemiehet käyttävät ensin ohjauslaseria puristamaan pulssivaloa atomipilvessä ja hidastamaan sitä äärimmäisen. Sitten he sammuttavat ohjauslaserin ja pulssivalo katoaa. Pulssivalon kuljettama tieto tallentuu atomipilveen. . Sitten sitä säteilytetään ohjatulla laserilla, ja pulssivalo palautuu ja kävelee ulos atomipilvästä. Tämän seurauksena alun perin puristettu pulssi levenee jälleen ja nopeus palautuu. Koko prosessi pulssivalotietojen syöttämiseksi atomipilveen on hyvin samanlainen kuin lukeminen, tallentaminen ja nollaus tietokoneessa. Siksi tämä tekniikka voi auttaa toteuttamaan kvanttitietokoneiden toteuttamisen.

"Femtosekuntien" maailmasta "attosekuntiin"

Femtosekunnit ylittävät mielikuvituksemme. Nyt uskaltaudumme attosekuntien maailmaan, jotka ovat lyhyempiä kuin femtosekuntia. Ah on lyhenne kansainvälisen yksikköjärjestelmän etuliitteestä "atto". 1 attosekunti=1×10^-18 sekuntia=yksi tuhannesosa femtosekunnista. Attosekuntipulsseja ei voida tehdä näkyvällä valolla, koska pulssien lyhentäminen vaatii lyhyemmän aallonpituuden valon käyttöä. Jos esimerkiksi haluat luoda pulssin käyttämällä punaista näkyvää valoa, on mahdotonta luoda tätä aallonpituutta lyhyempää pulssia. Näkyvän valon raja on noin 2 femtosekuntia, joten attosekunnin pulssit käyttävät röntgensäteitä tai gammasäteitä, joilla on lyhyempi aallonpituus. On epäselvää, mitä tulevaisuudessa löydetään attosekunnin röntgenpulssien avulla. Esimerkiksi käyttämällä attosekuntien välähdyksiä biomolekyylien visualisointiin voimme tarkkailla niiden toimintaa hyvin lyhyessä ajassa ja ehkä tunnistaa biomolekyylien rakenteen.

Yhteystiedot:

Jos sinulla on ideoita, ota rohkeasti yhteyttä. Riippumatta siitä, missä asiakkaamme ovat ja mitkä ovat vaatimuksemme, noudatamme tavoitettamme tarjota asiakkaillemme korkeaa laatua, edullisia hintoja ja parasta palvelua.