Femtosecond Laser Applications in Medicine

A Femtosekúndu leysirer „ofur-stutt púlsljós“ sem gefur frá sér ljós í mjög stuttan tíma sem er aðeins um trilljónustu úr sekúndu. Fei er skammstöfun forskeytsins femto í alþjóðlega einingakerfinu og 1 femtósekúnda=1×10^-15 sekúndur. Hið svokallaða púlsljós gefur frá sér ljós aðeins í smástund. Ljósgeislunartími flass myndavélar er um 1 míkrósekúnda, þannig að femtósekúndu örstutta púlsljósið hefur aðeins um einn milljarð af tíma sínum til að gefa frá sér ljós. Eins og við vitum öll flýgur ljóshraðinn á óviðjafnanlegan hraða upp á 300,000 kílómetra á sekúndu (snýst sjö og hálfa hring um jörðina á einni sekúndu). Hins vegar, á einni femtósekúndu, stækkar ljósið aðeins 0,3 míkron.

Venjulega notum við flassljósmyndun til að fanga samstundis ástand hlutar á hreyfingu. Á sama hátt, ef þú notar femtósekúndu leysir til að blikka, er hægt að sjá hvert brot af efnahvarfi sem á sér stað á ofsafengnum hraða. Til þess er hægt að nota femtósekúndu leysigeisla til að rannsaka leyndardóma efnahvarfa.

Almenn efnahvörf halda áfram eftir að hafa farið í gegnum millistig með mikilli orku, svokallað „virkjað ástand“. Tilvist virkjaða ástandsins var fræðilega spáð fyrir um af efnafræðingnum Arrheniusi strax árið 1889, en vegna þess að það var til í mjög stuttan tíma var ekki hægt að fylgjast með því beint. En tilvist þess var beinlínis sýnd seint á níunda áratugnum með femtósekúndu leysigeislum, dæmi um notkun femtósekúnduleysis til að finna efnahvörf. Til dæmis brotnar sýklópentanón sameindin niður í kolmónoxíð og 2 etýlen sameindir í virkjaðri stöðu.

Nú á dögum eru femtósekúndu leysir einnig notaðir á fjölmörgum sviðum eins og eðlisfræði, efnafræði, lífvísindum, læknisfræði og verkfræði. Sérstaklega er gert ráð fyrir að samsetning ljóss og rafeinda muni opna ýmsa nýja möguleika á sviði fjarskipta, tölvu og orku. Þetta er vegna þess að styrkleiki ljóssins getur sent mikið magn upplýsinga frá einum stað til annars án þess að tapa, sem gerir sjónsamskipti enn hraðari. Á sviði kjarnaeðlisfræði hafa femtósekúndu leysir haft mikil áhrif. Vegna þess að púlsljós hefur mjög sterkt rafsvið er hægt að hraða rafeindum nálægt ljóshraða innan 1 femtósekúndu, svo það er hægt að nota það sem "hröðun" til að hraða rafeindum.

Umsókn í læknisfræði
Eins og getið er hér að ofan, í heiminum innan femtósekúndna, er jafnvel ljós frosið og getur ekki færst mjög langt, en jafnvel á þessum tímakvarða eru frumeindir og sameindir í efni og rafeindir inni í tölvuflögum enn á hreyfingu innan hringrásarinnar. Ef þú notar femtósekúndu púls geturðu stöðvað hann samstundis og rannsakað hvað gerist. Auk þess að blikka til að stöðva tímann geta femtósekúndu leysir einnig borað örhol í málmi með þvermál allt að 200 nanómetra (tveir tíu þúsundustu úr millimetra). Þetta þýðir að ofurstutta púlsljósið sem er þjappað saman og læst inni á stuttum tíma nær ótrúlegum áhrifum af ofurmikilli útkomu án þess að valda frekari skaða á umhverfinu. Ennfremur getur púlsandi ljós femtósekúndu leysigeisla tekið þrívíddarmyndir af hlutum í mjög fínum smáatriðum. Staðamyndataka er mjög gagnleg við læknisfræðilega greiningu og opnar þannig nýtt rannsóknarsvið sem kallast sjóntruflasneiðmynd. Þetta er þrívíddarmynd af lifandi vef og lifandi frumum sem tekin er með femtósekúndu laser. Til dæmis er mjög stuttur ljóspúls beint að húðinni. Púlsljósið endurkastast á yfirborð húðarinnar og hluti af púlsljósinu berst inn í húðina. Inni í húðinni er samsett úr mörgum lögum. Púlsljósið sem fer inn í húðina endurkastast sem lítið púlsljós. Af bergmáli þessara ýmsu púlsljósa í endurkastuðu ljósi má þekkja innri uppbyggingu húðarinnar.

Að auki hefur þessi tækni mikla hagkvæmni í augnlækningum, sem getur tekið þrívíðar myndir af sjónhimnu djúpt í auganu. Þetta gerir læknum kleift að greina vandamál með vefi þeirra. Slík skoðun er ekki takmörkuð við augun. Ef leysir er sendur inn í líkamann með ljósleiðara getur hann skoðað alla vefi ýmissa líffæra líkamans. Í framtíðinni gæti jafnvel verið hægt að greina hvort það hafi breyst í krabbamein.

Að átta sig á ofurnákvæmum klukkum
Vísindamenn telja að ef sýnilegt ljós er notað til að búa til femtósekúndu leysiklukku muni hún geta mælt tímann með nákvæmari hætti en atómklukka, og mun þjóna sem nákvæmasta klukka heims á næstu árum. Ef klukkan er nákvæm bætir hún einnig til muna nákvæmni GPS (Global Positioning System) sem notað er við bílaleiðsögu.

Af hverju getur sýnilegt ljós búið til nákvæma klukku? Allar klukkur og úr eru ómissandi fyrir hreyfingu pendúla og gíra. Með sveiflu pendúls með nákvæmri titringstíðni snúast gírarnir í sekúndur og nákvæmar klukkur eru engin undantekning. Þess vegna, til að gera nákvæmari klukku, er nauðsynlegt að nota pendúl með hærri titringstíðni. Kvartsklukkur (klukkur sem nota kristalsveiflu í stað pendúls) eru nákvæmari en pendúlklukkur vegna þess að kvarsresonatorinn sveiflast oftar á sekúndu.

Sesíum atómklukkan sem nú er notuð sem tímastaðall hefur sveiflutíðni um 9,2 gígahertz (forskeytið alþjóðlegu einingarinnar gígahertz, 1 gígahertz=10^9). Atómklukkan notar náttúrulega sveiflutíðni sesíumatóma og kemur í stað pendúlsins fyrir örbylgjuofnar sem eru í samræmi við sveiflutíðnina. Nákvæmnin er aðeins ein sekúnda á tugum milljóna ára. Aftur á móti hefur sýnilegt ljós sveiflutíðni sem er 100,000 til 1,000,000 sinnum hærri en örbylgjusveiflutíðnin. Það er að segja að hægt er að nota sýnilega ljósorku til að búa til nákvæmnisklukkur sem eru milljón sinnum nákvæmari en atómklukkur. Nákvæmasta klukka heims sem notar sýnilegt ljós hefur nú verið smíðuð á rannsóknarstofu með góðum árangri.

Afstæðiskenningu Einsteins er hægt að sannreyna með hjálp þessarar nákvæmu klukku. Við settum aðra svona nákvæma klukku á rannsóknarstofuna og hina á skrifstofunni niðri og veltum fyrir okkur mögulegum aðstæðum. Eftir einn eða tvo tíma var niðurstaðan eins og afstæðiskenning Einsteins spáði fyrir um. Vegna þessara tveggja Mismunandi „þyngdarsvið“ eru á milli hæða, þannig að klukkurnar tvær benda ekki lengur á sama tíma og klukkan niðri gengur hægar en klukkan uppi. Ef nákvæmari klukka væri notuð gætu jafnvel úrin sem eru á úlnlið og ökkla sagt frá mismunandi tíma þann daginn. Við getum einfaldlega upplifað sjarma afstæðiskenningarinnar með hjálp nákvæmra klukka.

ljóshraði hægir á tækni
Árið 1999 náði prófessor Rainer Howe við Hubbard háskólann í Bandaríkjunum að hægja á ljósinu með góðum árangri í 17 metra á sekúndu, hraða sem bílar geta náð í, og hægja síðan á ljósinu með góðum árangri í hraða sem jafnvel reiðhjól geta náð. Þessi tilraun felur í sér nýjustu rannsóknir í eðlisfræði. Þessi grein kynnir aðeins tvo lykla að árangri tilraunarinnar. Eitt er að byggja upp „ský“ af natríumatómum sem eru mjög lágt hitastig nálægt algjöru núlli (-273.15 gráður), sérstakt gasástand sem kallast Bose-Einstein þéttiefni. Hinn er leysir sem stillir titringstíðnina (stjórnleysir) og notar hann til að lýsa upp ský af natríumatómum og eitthvað ótrúlegt gerist.

Vísindamenn nota fyrst stjórnleysir til að þjappa púlsljósinu í atómskýinu og hægja mjög á því. Þá slökkva þeir á stýrilasernum og púlsljósið hverfur. Upplýsingarnar sem bera á púlsljósinu eru geymdar í atómskýinu. . Síðan er það geislað með stýrðum leysir og púlsljósið endurheimt og gengur út úr atómskýinu. Fyrir vikið er upphaflega þjappaður púlsinn breikkaður aftur og hraðinn endurheimtur. Allt ferlið við að setja upplýsingar um púlsljós inn í atómskýið er mjög svipað því að lesa, geyma og endurstilla í tölvu. Þess vegna getur þessi tækni hjálpað til við að átta sig á framkvæmd skammtatölva.

Frá heimi "femtosecond" til "attosecond"

Femtósekúndur eru ofar ímyndunarafl okkar. Nú erum við að fara út í heim attósekúndna, sem eru styttri en femtósekúndur. Ah er skammstöfunin á forskeytinu "atto" í alþjóðlega einingakerfinu. 1 attósekúnda=1×10^-18 sekúndur=einn þúsundasti úr femtósekúndu. Ekki er hægt að búa til Attosecond púls með sýnilegu ljósi vegna þess að stytting púlsanna krefst notkunar á styttri bylgjulengd ljóss. Til dæmis, ef þú vilt búa til púls með því að nota rautt sýnilegt ljós, er ómögulegt að búa til púls styttri en þá bylgjulengd. Sýnilegt ljós hefur um það bil 2 femtósekúndur takmörk, þannig að attosecond púlsar nota röntgengeisla eða gammageisla með styttri bylgjulengd. Það er óljóst hvað verður uppgötvað í framtíðinni með því að nota attosecond röntgenpúlsar. Til dæmis, með því að nota attosecond flass til að sjá lífsameindir gerir okkur kleift að fylgjast með starfsemi þeirra á mjög stuttum tímakvarða og kannski bera kennsl á uppbyggingu lífsameinda.

Samskiptaupplýsingar:

Ef þú hefur einhverjar hugmyndir skaltu ekki hika við að tala við okkur. Sama hvar viðskiptavinir okkar eru og hverjar kröfur okkar eru, munum við fylgja því markmiði okkar að veita viðskiptavinum okkar hágæða, lágt verð og bestu þjónustuna.