Приложения на фемтосекунден лазер в медицината

A Фемтосекунден лазере устройство за генериране на "ултра-къс импулс на светлина", което излъчва светлина за ултра-кратко време от само около една трилионна от секундата. Фей е съкращението на префикса фемто в Международната система от единици и 1 фемтосекунда=1×10^-15 секунди. Така наречената импулсна светлина излъчва светлина само за момент. Времето за излъчване на светлина от светкавицата на фотоапарата е около 1 микросекунда, така че фемтосекундната светлина с ултра-къс импулс има само около една милиардна част от времето си, за да излъчва светлина. Както всички знаем, скоростта на светлината лети с несравнима скорост от 300,000 километра в секунда (обикаляйки земята седем и половина пъти за една секунда). Въпреки това, за една фемтосекунда светлината напредва само с 0,3 микрона.

Обикновено използваме фотография със светкавица, за да заснемем моментното състояние на движещи се обекти. По същия начин, ако използвате фемтосекунден лазер за мигане, е възможно да видите всеки фрагмент от химическа реакция, която протича с висока скорост. За да направите това, фемтосекундните лазери могат да се използват за изследване на мистериите на химичните реакции.

Общите химични реакции протичат след преминаване през междинно състояние с висока енергия, така нареченото "активирано състояние". Съществуването на активирано състояние е теоретично предсказано от химика Арениус още през 1889 г., но тъй като то съществува за много кратък момент, не може да бъде директно наблюдавано. Но съществуването му беше директно демонстрирано в края на 80-те години на миналия век от фемтосекундни лазери, пример за използване на фемтосекундни лазери за определяне на химически реакции. Например, молекулата циклопентанон се разлага на въглероден оксид и 2 молекули етилен в активирано състояние.

В днешно време фемтосекундните лазери се използват и в широк спектър от области като физика, химия, науки за живота, медицина и инженерство. По-специално, комбинацията от светлина и електроника се очаква да отвори различни нови възможности в областта на комуникациите, компютрите и енергията. Това е така, защото интензитетът на светлината може да предава големи количества информация от едно място на друго почти без загуба, което прави оптичните комуникации още по-бързи. В областта на ядрената физика фемтосекундните лазери оказаха огромно влияние. Тъй като импулсната светлина има много силно електрическо поле, възможно е електроните да се ускорят до скоростта на светлината в рамките на 1 фемтосекунда, така че може да се използва като "ускорител" за ускоряване на електрони.

Приложение в медицината
Както бе споменато по-горе, в света в рамките на фемтосекунди дори светлината е замръзнала и не може да се движи много далеч, но дори в този времеви мащаб атомите и молекулите в материята и електроните в компютърните чипове все още се движат във веригата. Ако използвате фемтосекунден импулс, можете да го спрете моментално и да проучите какво се случва. В допълнение към мигането, за да спрат времето, фемтосекундните лазери могат също да пробиват микродупки в метал с диаметър до 200 нанометра (две десет хилядни от милиметъра). Това означава, че ултракъсата импулсна светлина, която се компресира и заключва вътре за кратък период от време, постига удивителен ефект на ултрависока мощност, без да причинява допълнителни щети на околната среда. Освен това импулсната светлина на фемтосекундните лазери може да улови триизмерни изображения на обекти с изключително фини детайли. Стереоскопичната фотография е много полезна в медицинската диагностика, като по този начин отваря нова изследователска област, наречена оптична интерферентна томография. Това е триизмерно изображение на жива тъкан и живи клетки, заснети с фемтосекунден лазер. Например, много кратък светлинен импулс е насочен към кожата. Импулсната светлина се отразява върху повърхността на кожата и част от импулсната светлина се излъчва в кожата. Вътрешността на кожата е съставена от много слоеве. Импулсната светлина, която навлиза в кожата, се отбива обратно като малка импулсна светлина. От ехото на тези различни импулсни светлини в отразената светлина може да се разбере вътрешната структура на кожата.

В допълнение, тази технология има голяма практичност в офталмологичната медицина, способна да заснема триизмерни изображения на ретината дълбоко в окото. Това позволява на лекарите да диагностицират проблеми с техните тъкани. Този вид изследване не се ограничава само до очите. Ако лазер се изпрати в тялото чрез оптично влакно, той може да изследва всички тъкани на различни органи в тялото. В бъдеще може дори да е възможно да се установи дали се е превърнал в рак.

Реализиране на свръхпрецизни часовници
Учените смятат, че ако се използва видима светлина за направата на фемтосекунден лазерен часовник, той ще може да измерва времето по-прецизно от атомен часовник и ще служи като най-точният часовник в света през следващите няколко години. Ако часовникът е точен, това значително подобрява и точността на GPS (глобална система за позициониране), използвана за навигация на автомобили.

Защо видимата светлина може да направи точен часовник? Всички часовници са незаменими за движението на махала и зъбни колела. Чрез люлеене на махало с точна честота на вибрация, зъбните колела се въртят за секунди и точните часовници не са изключение. Следователно, за да направите по-точен часовник, е необходимо да използвате махало с по-висока честота на вибрация. Кварцовите часовници (часовници, които използват кристални трептения вместо махало) са по-точни от часовниците с махало, тъй като кварцовият резонатор осцилира повече пъти в секунда.

Цезиевият атомен часовник, използван в момента като стандарт за време, има честота на трептене от около 9,2 гигахерца (префиксът на международната единица гигахерц, 1 гигахерц=10^9). Атомният часовник използва естествената честота на трептене на цезиевите атоми и заменя махалото с микровълни, чиято честота на трептене е постоянна. Неговата точност е само една секунда за десетки милиони години. За разлика от това, видимата светлина има честота на трептене, която е 100,000 до 1,000,000 пъти по-висока от честотата на микровълновите трептения. Това означава, че енергията на видимата светлина може да се използва за създаване на прецизни часовници, които са милиони пъти по-точни от атомните часовници. Най-точният часовник в света, който използва видима светлина, вече е успешно построен в лаборатория.

Теорията на относителността на Айнщайн може да бъде проверена с помощта на този прецизен часовник. Поставихме един такъв точен часовник в лабораторията, а другият в офиса на долния етаж и обмисляхме възможни ситуации. След един или два часа резултатът беше такъв, какъвто беше предвиден от теорията на относителността на Айнщайн. Поради двете има различни "гравитационни полета" между етажите, така че двата часовника вече не сочат едно и също време и часовникът на долния етаж работи по-бавно от часовника на горния етаж. Ако се използваше по-точен часовник, може би дори часовниците, носени на китката и глезена, биха показвали различно време през този ден. Можем просто да изпитаме очарованието на относителността с помощта на точни часовници.

технология за забавяне на скоростта на светлината
През 1999 г. професор Райнър Хоу от университета Хъбард в Съединените щати успешно забави светлината до 17 метра в секунда, скорост, която колите могат да настигнат, а след това успешно забави светлината до скорост, която дори велосипедите могат да настигнат. Този експеримент включва най-съвременните изследвания във физиката. Тази статия представя само два ключа към успеха на експеримента. Единият е да се изгради „облак“ от изключително нискотемпературни натриеви атоми, близки до абсолютната нула (-273.15 градуса), специално газово състояние, наречено кондензат на Бозе-Айнщайн. Другият е лазер, който регулира честотата на вибрациите (контролен лазер) и го използва, за да освети облак от натриеви атоми и се случва нещо невероятно.

Учените първо използват контролен лазер, за да компресират импулсната светлина в облака от атоми и да я забавят изключително. След това изключват контролния лазер и импулсната светлина изчезва. Информацията, пренасяна от импулсната светлина, се съхранява в облака от атоми. . След това се облъчва с контролиран лазер и импулсната светлина се възстановява и излиза от облака от атоми. В резултат на това първоначално компресираният импулс се разширява отново и скоростта се възстановява. Целият процес на въвеждане на информация за импулсна светлина в атомния облак е много подобен на четене, съхраняване и нулиране в компютър. Следователно тази технология може да помогне за реализацията на квантови компютри.

От света на "фемтосекундата" до "атосекундата"

Фемтосекундите са извън нашето въображение. Сега се впускаме в света на атосекундите, които са по-кратки от фемтосекундите. Ah е съкращението на префикса "atto" на Международната система от единици. 1 атосекунда=1×10^-18 секунди=една хилядна от фемтосекунда. Атосекундни импулси не могат да бъдат направени с видима светлина, тъй като скъсяването на импулсите изисква използването на светлина с по-къса дължина на вълната. Например, ако искате да създадете импулс, използвайки червена видима светлина, е невъзможно да създадете импулс, по-къс от тази дължина на вълната. Видимата светлина има ограничение от около 2 фемтосекунди, така че атосекундните импулси използват рентгенови лъчи или гама лъчи с по-къси дължини на вълната. Не е ясно какво ще бъде открито в бъдеще с помощта на атосекундни рентгенови импулси. Например, използването на атосекундни светкавици за визуализиране на биомолекулите ни позволява да наблюдаваме техните дейности в много кратък период от време и може би да идентифицираме структурата на биомолекулите.

Информация за връзка:

Ако имате някакви идеи, не се колебайте да говорите с нас. Без значение къде са нашите клиенти и какви са нашите изисквания, ние ще следваме целта си да предоставим на нашите клиенти високо качество, ниски цени и най-доброто обслужване.