簡単な科学| 1つの記事でフェムト秒レーザーを理解してください！

November 11, 2023

記事のソース：インターネットから編集されたレーザー業界の観察
フェムト秒レーザーは、約1兆分の1兆分のわずか1兆分の超短時間で光を放出する「超短いパルスライト」生成デバイスです。 FEIは、国際ユニットシステムにおけるプレフィックスフェムの略語であり、1フェムトセカンド= 1×10^-15秒です。いわゆるパルスライトは、一瞬だけ光を放出します。カメラのフラッシュの光発光時間は約1マイクロ秒であるため、フェムト秒のウルトラショートパルスライトは、光を放出する時間の約10億分の1しかありません。誰もが知っているように、軽速は1秒あたり300,000キロメートルの比類のない速度で飛びます（地球を1秒で7回半旋回します）。ただし、1つのフェムト秒で、光は0.3ミクロンのみを進めます。
通常、フラッシュ写真を使用して、移動するオブジェクトの瞬間的な状態をキャプチャします。同様に、フェムト秒レーザーを使用してフラッシュする場合、激しい速度で発生する化学反応のすべての断片を見ることができます。これを行うために、フェムト秒レーザーを使用して化学反応の謎を研究することができます。
一般的な化学反応は、いわゆる「活性化状態」である高エネルギーの中間状態を通過した後に進行します。活性化された状態の存在は、1889年には化学者Arrheniusによって理論的に予測されましたが、非常に短い瞬間に存在していたため、直接観察できませんでした。しかし、その存在は、1980年代後半にフェムト秒レーザーによって直接実証されました。これは、フェムト秒レーザーを使用して化学反応を特定する例です。たとえば、シクロペンタノン分子は、活性化状態の一酸化炭素と2つのエチレン分子に分解します。
現在、フェムト秒レーザーは、物理学、化学、生命科学、医学、工学などの幅広い分野でも使用されています。特に、光とエレクトロニクスの組み合わせは、通信、コンピューター、エネルギーの分野でさまざまな新しい可能性を開くことが期待されています。これは、光の強度が大量の情報をある場所から別の場所にほとんど損失なしで送信し、光学通信をさらに速くすることができるためです。核物理学の分野では、フェムト秒レーザーが大きな影響を与えました。パルス光には非常に強い電界があるため、電子を1フェムト秒以内に光の速度に近づけるために電子を加速することができるため、電子を加速するための「加速器」として使用できます。

医学への応用
上記のように、フェムト秒以内の世界では、光でさえ凍結されて非常に遠くに移動することはできませんが、この時間スケールでさえ、物質の原子と分子とコンピューターチップ内の電子が回路内を移動しています。フェムト秒パルスを使用する場合、すぐに停止し、何が起こるかを調べることができます。停止時間に加えて、フェムト秒レーザーは、直径200ナノメートル（2万分の1ミリメートル）の金属でマイクロホールを掘削することもできます。これは、短期間で圧縮され、内部にロックされている超短いパルス光が、周囲に追加の損傷を引き起こすことなく、超高出力の驚くべき効果を達成することを意味します。さらに、フェムト秒レーザーのパルス光は、オブジェクトの3次元画像を非常に細かくキャプチャできます。立体画像写真は医学的診断に非常に役立つため、光干渉断層撮影と呼ばれる新しい研究分野が開かれています。これは、フェムト秒レーザーを使用して捕獲された生体と生細胞の3次元画像です。たとえば、非常に短い光の脈拍が皮膚に向けられています。パルスライトは皮膚の表面に反射され、パルスライトの一部が皮膚に放出されます。皮膚の内側は多くの層で構成されています。皮膚に入るパルスライトは、小さなパルスライトとして跳ね返ります。反射光のこれらのさまざまなパルスライトのエコーから、皮膚の内部構造がわかることができます。
さらに、この技術は、眼の奥深くの網膜の3次元画像をキャプチャできる眼科医学において非常に実用性があります。これにより、医師は組織の問題を診断できます。この種の検査は目に限定されません。光ファイバを使用してレーザーが体内に送られると、体内のさまざまな臓器のすべての組織を調べることができます。将来的には、それが癌になったかどうかを検出することさえ可能かもしれません。

超高速時計を実現します
科学者は、目に見える光を使用してフェムト秒レーザークロックを作る場合、原子時計よりも正確に時間を測定できると考え、今後数年間で世界で最も正確な時計として機能すると考えています。クロックが正確である場合、カーナビゲーションに使用されるGPS（グローバルポジショニングシステム）の精度も大幅に向上します。
目に見える光が正確な時計を作ることができるのはなぜですか？すべての時計と時計は、振り子とギアの動きに不可欠です。正確な振動周波数の振り子のスイングを通して、ギアは数秒間回転し、正確な時計も例外ではありません。したがって、より正確なクロックを作成するには、より高い振動周波数を持つ振り子を使用する必要があります。クォーツ時計（振り子の代わりにクリスタル振動を使用するクロック）は、クォーツ共振器が1秒あたりより多くの回数振動するため、振り子時計よりも正確です。
現在、Time Standardとして使用されているCesium原子時計の振動周波数は約9.2 Gigahertz（Gigahertzの国際単位の接頭辞、1 Gigahertz = 10^9）です。原子時計は、セシウム原子の自然振動周波数を使用し、振り子を振動周波数が一貫しているマイクロ波に置き換えます。その精度は、数千万年でわずか1秒です。対照的に、可視光には、マイクロ波振動周波数より100,000〜1,000,000倍高い振動周波数があります。つまり、目に見える光エネルギーを使用して、原子時計よりも数百万倍正確な精密時計を作成できます。目に見える光を使用する世界で最も正確な時計は、実験室で正常に構築されました。
アインシュタインの相対性理論は、この正確な時計の助けを借りて検証できます。このような正確な時計を実験室に、もう1つは階下のオフィスに配置し、可能な状況を考慮しました。 1〜2時間後、結果はアインシュタインの相対性理論の理論によって予測されたとおりでした。 2つのため、床の間に異なる「重力場」があるため、2つの時計は同じ時間を指すことなく、階下の時計は2階の時計よりも遅くなります。より正確な時計が使用されている場合、おそらく手首と足首に着用された時計でさえ、その日は異なる時期を伝えるでしょう。正確な時計の助けを借りて、相対性の魅力を単に体験できます。

技術を遅くする光速度
1999年、米国のハバード大学のレイナーハウ教授は、車が追いつくことができる速度で、1秒あたり17メートルまで光を速度低下させ、自転車でさえ追いつくことができる速度まで光を減速させました。この実験には、物理学で最も最先端の研究が含まれます。この記事では、実験の成功に関する2つの鍵のみを紹介します。 1つは、Bose-einstein凝縮液と呼ばれる特別なガス状態である絶対ゼロ（-273.15°C）に近い非常に低温ナトリウム原子の「雲」を構築することです。もう1つは、振動周波数（コントロールレーザー）を調整し、それを使用してナトリウム原子の雲を照らすレーザーであり、信じられないほどのことが起こります。
科学者は最初にコントロールレーザーを使用して、原子の雲のパルス光を圧縮し、非常に遅くします。その後、コントロールレーザーをオフにし、パルスライトが消えます。パルスライトに運ばれる情報は、原子の雲に保存されます。。次に、制御されたレーザーで照射され、パルス光が回復し、原子の雲から出ます。その結果、元々圧縮されたパルスが再び広がり、速度が回復します。パルス光情報を原子雲に入力するプロセス全体は、コンピューターでの読み取り、保存、リセットに非常に似ています。したがって、このテクノロジーは、量子コンピューターの実現を実現するのに役立ちます。

「フェムト秒」の世界から「attosecond」まで

フェムト秒は私たちの想像力を超えています。現在、私たちはアト秒の世界に挑戦しています。これはフェムト秒よりも短いです。 AHは、国際ユニットシステムの接頭辞「ATTO」の略語です。 1 ATTOSECOND = 1×10^-18秒=フェムト秒の1000分の1。パルスを短縮するには短い波長光の使用が必要なため、可視光でアト秒パルスを作成することはできません。たとえば、赤い可視光を使用してパルスを作成する場合、その波長よりも短いパルスを作成することは不可能です。可視光には約2フェムト秒の制限があるため、アト秒パルスはX線または波長が短いガンマ線を使用します。 Attosecond X線パルスを使用して、将来何が発見されるかは不明です。たとえば、アト秒フラッシュを使用して生体分子を視覚化することで、非常に短い時間スケールで活動を観察し、おそらく生体分子の構造を特定できます。