Uporaba femtosekundnega laserja v medicini

A Femtosekundni laserje naprava za generiranje "ultra kratke impulzne svetlobe", ki oddaja svetlobo za ultra kratek čas le približno trilijonko sekunde. Fei je okrajšava predpone femto v mednarodnem sistemu enot in 1 femtosekunda=1×10^-15 sekunda. Tako imenovana pulzna svetloba oddaja svetlobo le za trenutek. Čas oddajanja svetlobe bliskavice fotoaparata je približno 1 mikrosekunda, tako da ima femtosekundna svetloba z ultra kratkimi impulzi le približno milijardo svojega časa za oddajanje svetlobe. Kot vsi vemo, svetloba leti z neprimerljivo hitrostjo 300,000 kilometrov na sekundo (v eni sekundi sedeminpolkrat obkroži Zemljo). Vendar v eni femtosekundi svetloba napreduje le 0,3 mikrona.

Običajno uporabljamo fotografiranje z bliskavico, da zajamemo trenutno stanje premikajočih se predmetov. Podobno, če za bliskanje uporabite femtosekundni laser, je mogoče videti vsak delček kemične reakcije, ki se zgodi z visoko hitrostjo. Da bi to naredili, lahko femtosekundne laserje uporabimo za preučevanje skrivnosti kemičnih reakcij.

Splošne kemijske reakcije potekajo po prehodu skozi vmesno stanje z visoko energijo, tako imenovano "aktivirano stanje". Obstoj aktiviranega stanja je teoretično napovedal kemik Arrhenius že leta 1889, a ker je obstajalo zelo kratek trenutek, ga ni bilo mogoče neposredno opaziti. Toda njegov obstoj so v poznih osemdesetih letih prejšnjega stoletja neposredno dokazali femtosekundni laserji, primer uporabe femtosekundnih laserjev za natančno določanje kemičnih reakcij. Na primer, molekula ciklopentanona se v aktiviranem stanju razgradi na ogljikov monoksid in 2 molekuli etilena.

Dandanes se femtosekundni laserji uporabljajo tudi na številnih področjih, kot so fizika, kemija, znanosti o življenju, medicina in inženiring. Predvsem kombinacija svetlobe in elektronike naj bi odprla različne nove možnosti na področju komunikacij, računalništva in energetike. To je zato, ker lahko intenzivnost svetlobe prenese velike količine informacij z enega mesta na drugega skoraj brez izgube, zaradi česar so optične komunikacije še hitrejše. Na področju jedrske fizike so imeli femtosekundni laserji velik vpliv. Ker ima pulzna svetloba zelo močno električno polje, je mogoče pospešiti elektrone, da se približajo svetlobni hitrosti v 1 femtosekundi, zato jo je mogoče uporabiti kot "pospeševalec" za pospeševanje elektronov.

Uporaba v medicini
Kot je bilo omenjeno zgoraj, je v svetu v femtosekundah celo svetloba zamrznjena in se ne more premakniti zelo daleč, vendar se tudi na tej časovni skali atomi in molekule v snovi ter elektroni v računalniških čipih še vedno premikajo znotraj vezja. Če uporabite femtosekundni impulz, ga lahko takoj ustavite in preučite, kaj se zgodi. Poleg utripanja za ustavitev časa lahko femtosekundni laserji tudi vrtajo mikroluknje v kovino s premerom le 200 nanometrov (dve desettisočinki milimetra). To pomeni, da ultrakratka impulzna svetloba, ki je stisnjena in zaklenjena v notranjosti v kratkem času, doseže neverjeten učinek ultra visoke moči, ne da bi povzročila dodatno škodo okolici. Poleg tega lahko impulzna svetloba femtosekundnih laserjev zajame tridimenzionalne slike predmetov z izjemno finimi podrobnostmi. Stereoskopska slikovna fotografija je zelo uporabna pri medicinski diagnostiki in s tem odpira novo raziskovalno področje, imenovano optična interferenčna tomografija. To je tridimenzionalna slika živega tkiva in živih celic, posneta s femtosekundnim laserjem. Na primer, zelo kratek svetlobni impulz je usmerjen na kožo. Pulzna svetloba se odbija od površine kože, del pulzne svetlobe pa se oddaja v kožo. Notranjost kože je sestavljena iz številnih plasti. Impulzna svetloba, ki vstopi v kožo, se odbije nazaj kot majhna impulzna svetloba. Iz odmevov teh različnih pulznih luči v odbiti svetlobi je mogoče spoznati notranjo strukturo kože.

Poleg tega je ta tehnologija zelo praktična v oftalmološki medicini, saj lahko zajame tridimenzionalne slike mrežnice globoko v očesu. To omogoča zdravnikom, da diagnosticirajo težave z njihovimi tkivi. Tovrsten pregled ni omejen na oči. Če laser pošljemo v telo po optičnih vlaknih, lahko pregledamo vsa tkiva različnih organov v telesu. V prihodnosti bo morda celo mogoče ugotoviti, ali se je spremenil v raka.

Izdelava ultra natančnih ur
Znanstveniki verjamejo, da če se za izdelavo femtosekundne laserske ure uporabi vidna svetloba, bo ta lahko merila čas natančneje kot atomska ura in bo v naslednjih nekaj letih služila kot najbolj natančna ura na svetu. Če je ura točna, močno izboljša tudi natančnost GPS (Global Positioning System), ki se uporablja za avtomobilsko navigacijo.

Zakaj je lahko vidna svetloba točna ura? Vse ure in ročne ure so nepogrešljive za premikanje nihal in zobnikov. Z nihanjem nihala z natančno frekvenco nihanja se zobniki vrtijo sekunde in točne ure niso izjema. Zato je za izdelavo natančnejše ure potrebno uporabiti nihalo z višjo frekvenco nihanja. Kvarčne ure (ure, ki uporabljajo kristalno nihanje namesto nihala) so natančnejše od ur z nihalom, ker kvarčni resonator zaniha večkrat na sekundo.

Cezijeva atomska ura, ki se trenutno uporablja kot časovni standard, ima frekvenco nihanja približno 9,2 gigaherca (predpona mednarodne enote gigaherca, 1 gigaherc=10^9). Atomska ura uporablja lastno frekvenco nihanja atomov cezija in nadomešča nihalo z mikrovalovi, katerih frekvenca nihanja je dosledna. Njegova natančnost je le ena sekunda v desetinah milijonov let. V nasprotju s tem ima vidna svetloba frekvenco nihanja, ki je 100,000 do 1,000,000-krat večja od frekvence nihanja mikrovalov. To pomeni, da se energija vidne svetlobe lahko uporabi za ustvarjanje natančnih ur, ki so milijonkrat natančnejše od atomskih ur. Najbolj natančno uro na svetu, ki uporablja vidno svetlobo, so zdaj uspešno izdelali v laboratoriju.

Einsteinovo teorijo relativnosti je mogoče preveriti s pomočjo te natančne ure. Eno tako natančno uro smo postavili v laboratorij, drugo pa v pisarno spodaj in razmišljali o možnih situacijah. Po eni ali dveh urah je bil rezultat tak, kot ga je predvidevala Einsteinova teorija relativnosti. Zaradi obeh so med nadstropji različna »gravitacijska polja«, zato uri ne kažeta več istega časa, ura spodaj pa teče počasneje kot ura zgoraj. Če bi uporabljali natančnejšo uro, bi morda tudi ure, ki jih nosimo na zapestju in gležnju, tisti dan kazale drugačen čas. Čar relativnosti lahko preprosto doživimo s pomočjo natančnih ur.

tehnologija za upočasnitev svetlobne hitrosti
Leta 1999 je profesor Rainer Howe z Univerze Hubbard v Združenih državah Amerike uspešno upočasnil svetlobo na 17 metrov na sekundo, kar je hitrost, ki jo lahko dohitijo avtomobili, in nato uspešno upočasnil svetlobo do hitrosti, ki jo lahko dohitijo celo kolesa. Ta poskus vključuje najsodobnejše raziskave v fiziki. Ta članek predstavlja samo dva ključa do uspeha poskusa. Ena je zgraditi "oblak" atomov natrija pri izjemno nizkih temperaturah blizu absolutne ničle (-273.15 stopinj), posebno plinsko stanje, imenovano Bose-Einsteinov kondenzat. Drugi je laser, ki uravnava frekvenco nihanja (kontrolni laser) in z njim osvetli oblak natrijevih atomov in zgodi se nekaj neverjetnega.

Znanstveniki najprej uporabijo nadzorni laser, da stisnejo pulzno svetlobo v oblaku atomov in jo izjemno upočasnijo. Nato izklopijo kontrolni laser in pulzna svetloba izgine. Informacije, ki jih prenaša impulzna svetloba, so shranjene v oblaku atomov. . Nato je obsevana z nadzorovanim laserjem in pulzna svetloba se obnovi in ​​odide iz oblaka atomov. Posledično se prvotno stisnjen impulz ponovno razširi in hitrost se obnovi. Celoten postopek vnašanja informacij o pulzni svetlobi v atomski oblak je zelo podoben branju, shranjevanju in ponastavitvi v računalniku. Zato lahko ta tehnologija pomaga pri realizaciji kvantnih računalnikov.

Iz sveta "femtosekunde" v "atosekundo"

Femtosekunde presegajo našo domišljijo. Zdaj se podajamo v svet atosekund, ki so krajše od femtosekund. Ah je okrajšava predpone "atto" mednarodnega sistema enot. 1 atosekunda=1×10^-18 sekund=ena tisočinka femtosekunde. Attosekundnih impulzov ni mogoče narediti z vidno svetlobo, ker skrajšanje impulzov zahteva uporabo svetlobe s krajšo valovno dolžino. Na primer, če želite ustvariti impulz z uporabo rdeče vidne svetlobe, je nemogoče ustvariti impulz, krajši od te valovne dolžine. Vidna svetloba ima omejitev približno 2 femtosekund, zato atosekundni impulzi uporabljajo rentgenske ali gama žarke s krajšimi valovnimi dolžinami. Ni jasno, kaj bodo v prihodnosti odkrili z uporabo atosekundnih rentgenskih impulzov. Na primer, uporaba atosekundnih bliskov za vizualizacijo biomolekul nam omogoča, da opazujemo njihove dejavnosti v zelo kratkem času in morda identificiramo strukturo biomolekul.

Kontaktni podatki:

Če imate kakršne koli ideje, se obrnite na nas. Ne glede na to, kje so naše stranke in kakšne so naše zahteve, bomo sledili svojemu cilju, da svojim strankam zagotovimo visoko kakovost, nizke cene in najboljšo storitev.