L'application des lasers femtosecondes

Les lasers femtosecondes sont des dispositifs générant de la "lumière pulsée ultra-courte" qui émettent de la lumière pendant une période de temps ultra-courte d'environ un gigabit de seconde seulement. Femto est l'abréviation du système international d'unités femto (femto), 1 femtoseconde=1 × 10^-15 secondes. La lumière dite pulsée n'est qu'en un instant pour libérer de la lumière. Le temps d'émission de lumière du flash de l'appareil photo est d'environ 1 microseconde, de sorte que l'impulsion ultra-courte de la lumière femtoseconde n'est qu'environ un milliardième de son temps pour libérer la lumière. Comme nous le savons tous, la vitesse de la lumière est de 300 000 kilomètres par seconde (7 semaines et demie autour de la Terre en 1 seconde), une vitesse inégalée, mais pendant 1 femtoseconde, même la lumière n'est qu'à 0,3 micron vers l'avant.
Habituellement, nous utilisons la photographie au flash pour pouvoir couper l'état instantané de l'objet en mouvement. De même, avec un flash laser femtoseconde, il est possible de voir chaque fragment d'une réaction chimique qui se déroule à une vitesse violente. Pour cette raison, les lasers femtosecondes peuvent être utilisés pour étudier le mystère des réactions chimiques.
Les réactions chimiques se déroulent en général après un état intermédiaire de haute énergie, dit "état activé". L'existence de l'état d'activation a été prédite théoriquement par le chimiste Arrhenius en 1889, mais elle n'a pas pu être observée directement car elle a existé en très peu de temps. Cependant, son existence a été directement démontrée par un laser femtoseconde à la fin des années 1980, et ceci est un exemple de réaction chimique identifiée avec un laser femtoseconde. Par exemple, la décomposition d'une molécule de cyclopentanone en monoxyde de carbone et deux molécules d'éthylène à l'état activé.
De nos jours, les lasers femtosecondes sont également utilisés dans un large éventail de domaines tels que la physique, la chimie, les sciences de la vie, la médecine, l'ingénierie, etc. En particulier, la lumière et l'électronique vont de pair et devraient ouvrir toutes sortes de nouvelles possibilités dans le domaine de la communication ou de l'informatique et de l'énergie. En effet, l'intensité de la lumière peut transmettre une grande quantité d'informations d'un endroit à un autre presque sans perte, ce qui rend la communication optique encore plus rapide. Dans le domaine de la physique nucléaire, les lasers femtosecondes ont eu un impact énorme. Parce que la lumière pulsée a un champ électrique très fort, il est possible d'accélérer les électrons à près de la vitesse de la lumière en 1 femtoseconde, et peut donc être utilisée comme une "pédale d'accélérateur" pour accélérer les électrons.
Applications médicales
Comme mentionné ci-dessus, le monde en femtosecondes est tellement figé que même la lumière ne peut pas se déplacer très loin, mais même à cette échelle de temps, les atomes et les molécules de la matière et les électrons des circuits à l'intérieur des puces informatiques sont toujours en mouvement. Si vous utilisez des impulsions femtosecondes, vous pouvez l'arrêter instantanément et étudier ce qui se passe. En plus des flashs qui arrêtent le temps, les lasers femtosecondes sont capables de percer des trous microscopiques dans le métal jusqu'à 200 nanomètres (deux millièmes de millimètre) de diamètre. Cela signifie que les impulsions lumineuses ultracourtes qui sont compressées et bloquées à l'intérieur pendant une courte période de temps obtiennent une sortie étonnamment élevée sans endommager davantage la zone environnante. De plus, la lumière pulsée du laser femtoseconde est capable de prendre des images stéréo extrêmement fines du sujet. La photographie stéréoscopique est d'une grande utilité dans le diagnostic médical, ouvrant ainsi un nouveau champ de recherche appelé tomographie interférentielle optique. Il s'agit de l'utilisation de lasers femtosecondes pour prendre des images stéréoscopiques de tissus et de cellules vivants. Par exemple, une très courte impulsion de lumière est dirigée vers la peau, et la lumière pulsée est réfléchie sur la surface de la peau, une partie de la lumière pulsée étant dirigée vers la peau. L'intérieur de la peau se compose de plusieurs couches, et la lumière pulsée qui est projetée dans la peau est renvoyée sous forme de petites impulsions, et à partir des échos de ces lumières pulsées en forme dans la lumière réfléchie, il est possible de connaître la structure interne de la peau.
De plus, cette technologie a une grande utilité en ophtalmologie, où il est possible de prendre des images stéréoscopiques de la rétine au plus profond de l'œil. Les médecins sont ainsi en mesure de diagnostiquer s'il y a un problème avec ses tissus. Cet examen ne se limite pas aux yeux, mais si le laser est envoyé dans le corps avec des fibres optiques, tous les tissus des différents organes du corps peuvent être examinés et, à l'avenir, il sera peut-être même possible de vérifier s'ils sont devenus cancéreux.
Obtenez une horloge ultra-précise
Les scientifiques pensent que si une horloge avec un laser femtoseconde est fabriquée en utilisant la lumière visible, elle pourra mesurer le temps plus précisément qu'une horloge atomique et servira d'horloge la plus précise au monde dans les années à venir. Si l'horloge est précise, elle améliore également considérablement la précision du GPS (Global Positioning System) utilisé pour la navigation automobile.
Pourquoi la lumière visible peut-elle produire des horloges précises ? Toutes les horloges et montres n'ont pas de pendule et d'engrenages pour le mouvement, grâce au balancement du pendule avec une fréquence de vibration précise, de sorte que les engrenages tournent en secondes, les horloges précises ne font pas exception. Par conséquent, afin de créer des horloges plus précises, il est nécessaire d'utiliser un pendule avec une fréquence de vibration plus élevée. Les horloges à quartz (horloges avec des oscillations de cristal au lieu de pendules) sont plus précises que les horloges à pendule, et c'est parce que les résonateurs à quartz oscillent plus de fois par seconde.
La fréquence d'oscillation de l'horloge atomique au césium, qui est maintenant l'étalon du temps, est d'environ 9,2 gigahertz (la tête de mot de l'unité internationale giga, 1 gig=10^9). L'horloge atomique est l'utilisation d'atomes de césium fréquence d'oscillation inhérente, avec sa fréquence d'oscillation compatible avec les micro-ondes au lieu du pendule, sa précision est de dizaines de millions d'années à seulement 1 seconde de différence. En revanche, la lumière visible a une fréquence d'oscillation de 100,000 à 1 million de fois supérieure à la fréquence d'oscillation des micro-ondes, c'est-à-dire que la lumière visible peut être utilisée pour créer des horloges de précision avec une précision un million de fois supérieure à celle des horloges atomiques. Aujourd'hui, l'horloge la plus précise au monde utilisant la lumière visible a été construite avec succès en laboratoire.
A l'aide de cette horloge précise, il est possible de vérifier la théorie de la relativité d'Einstein. Nous serons une telle horloge précise dans le laboratoire, l'autre dans le bureau en bas, considérons la situation possible, après une ou deux heures, les résultats tels que prédits par la théorie de la relativité d'Einstein, car les deux couches ont un "champ gravitationnel" différent entre les deux horloges n'indiquent plus la même heure, l'horloge du bas que celle du haut L'horloge du bas avance moins vite que celle du haut. Avec une horloge plus précise, peut-être que même la montre au poignet et la montre à la cheville n'auraient pas la même heure ce jour-là. Nous pouvons simplement éprouver la fascination de la relativité à l'aide d'horloges précises.
Technologie de ralentissement de la lumière
En 1999, le professeur Rainer Howe de l'Université Hubbart aux États-Unis a réussi à ralentir la lumière à 17 mètres par seconde, une vitesse qu'une voiture pourrait rattraper, et plus tard à une vitesse que même un vélo pourrait rattraper. Cette expérience implique des recherches à la pointe de la physique, et dans cet article, seules deux clés du succès de l'expérience sont présentées. L'une est la construction d'un "nuage" d'atomes de sodium à des températures extrêmement basses proches du zéro absolu (-273.15 degré), un état gazeux spécial connu sous le nom de condensat de Bose-Einstein. L'autre est un laser (laser de contrôle) qui régule la fréquence des vibrations et irradie avec lui le nuage d'atomes de sodium, avec pour résultat que quelque chose d'incroyable se produit.
Tout d'abord, à l'aide du laser de contrôle, la lumière pulsée a été comprimée dans le nuage d'atomes et ralentie à une vitesse extrême. Ensuite, le laser de contrôle est à nouveau allumé, et la lumière pulsée est restaurée et sort du nuage atomique. Les impulsions qui ont été compressées sont alors à nouveau élargies et la vitesse est restaurée. L'ensemble du processus d'entrée des informations de lumière pulsée dans le nuage atomique est similaire à la lecture, au stockage et à la réinitialisation dans un ordinateur, cette technique est donc utile pour la mise en œuvre d'ordinateurs quantiques.
Du monde "femtoseconde" au monde "attoseconde"
Les femtosecondes dépassent déjà notre imagination. Nous nous aventurons maintenant dans le monde de "l'attoseconde" qui est encore plus courte que la femtoseconde. A est l'abréviation du mot atto du Système international d'unités (SI). 1 attoseconde=1 x 10^-18 secondes=1 millième de femtoseconde. Une impulsion attoseconde ne peut pas être réalisée avec de la lumière visible car des impulsions plus courtes doivent être réalisées avec des longueurs d'onde de lumière plus courtes. Par exemple, si vous souhaitez créer une impulsion avec de la lumière visible rouge, il n'est pas possible de créer une impulsion avec une longueur d'onde plus courte que cela. La lumière visible est la limite d'environ 2 femtosecondes, et pour cette raison les impulsions attosecondes sont faites avec des longueurs d'onde plus courtes de rayons X ou de rayons gamma. On ne sait pas ce que l'on peut trouver à l'avenir en utilisant une impulsion de rayons X attoseconde. Par exemple, en utilisant un inter-flash attoseconde pour visualiser une biomolécule, il est possible d'observer son activité sur une échelle de temps très courte et éventuellement d'identifier la structure de la biomolécule.