フェムト秒レーザー

A フェムト秒レーザーは、約1ギガ秒の超短時間のみ発光する「超短パルス光」発生装置です。 Feiは、国際単位系の接頭辞であるFemtoの略語であり、1フェムト秒= 1×10 ^ -15秒です。いわゆるパルス光は一瞬だけ発光します。カメラのフラッシュの発光時間は約1マイクロ秒であるため、フェムト秒の超短パルス光はその時間の約10億分の1しか発光しません。ご存知のように、光の速度は比類のない速度で毎秒300,000キロメートル（1秒間に地球の周りを7.5周）ですが、1フェムト秒では、光でさえ0.3ミクロンしか進みません。

多くの場合、フラッシュ撮影では、動く物体の瞬間的な状態を切り取ることができます。同様に、フェムト秒レーザーが点滅している場合、それが激しい速度で進行しているときでさえ、化学反応のすべての断片を見ることが可能です。この目的のために、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、高エネルギーの中間状態、いわゆる「活性化状態」を通過した後に行われます。活性化状態の存在は、1889年には化学者アレニウスによって理論的に予測されていましたが、非常に短時間しか存在しないため、直接観察することはできません。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で化学反応を特定する方法の例です。たとえば、シクロペンタノン分子は、活性化状態によって一酸化炭素と2つのエチレン分子に分解されます。
フェムト秒レーザーは現在、物理学、化学、生命科学、医学、工学などの幅広い分野、特に光と電子工学で使用されています。これは、光の強度によって、ある場所から別の場所に大量の情報をほとんど損失なく送信できるため、光通信がさらに高速化されるためです。原子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ています。パルス光は非常に強い電界を持っているため、1フェムト秒以内に光速近くまで電子を加速することが可能であり、電子を加速するための「加速器」として使用することができます。

医学への応用
前述のように、フェムト秒の世界では、光さえも凍結しているため、遠くまで移動することはできませんが、この時間スケールでも、コンピューターチップ内の原子、分子、電子は回路内を移動しています。フェムト秒パルスを使用して瞬時に停止できる場合は、何が起こるかを調べてください。フェムト秒レーザーは、点滅停止時間に加えて、直径200ナノメートル（2 / 10,000ミリメートル）の小さな金属に小さな穴を開けることができます。これは、短時間で圧縮されて内部に閉じ込められる超短パルス光が、超高出力の驚くべき効果を達成し、周囲に追加の損傷を引き起こさないことを意味します。さらに、フェムト秒レーザーのパルス光は、物体の非常に細かい立体画像を撮ることができます。立体画像は医療診断に非常に役立ち、光学干渉トモグラフィーと呼ばれる新しい研究分野を切り開きます。これは、フェムト秒レーザーで撮影した生体組織と生細胞の立体画像です。たとえば、非常に短い光のパルスが皮膚に向けられ、パルス光が皮膚の表面で反射され、パルス光の一部が皮膚に注入されます。皮膚の内部は多くの層で構成されており、皮膚に入るパルス光は小さなパルス光として跳ね返り、反射光のこれらのさまざまなパルス光のエコーから皮膚の内部構造を知ることができます。
さらに、この技術は眼科で非常に有用であり、眼の深部の網膜の立体画像を撮ることができます。これにより、医師は組織に問題があるかどうかを診断できます。この種の検査は目に限定されません。レーザーを光ファイバーで体内に送ると、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、将来的には癌になったかどうかを確認することもできるかもしれません。

超精密時計の実装
科学者は、フェムト秒レーザー時計は可視光を利用して作られているため、原子時計よりも正確に時刻を測ることができ、今後数年間で世界で最も正確な時計となるでしょう。時計が正確であれば、カーナビゲーションに使用されるGPS（全地球測位システム）の精度も大幅に向上します。
なぜ可視光は正確な時計を作ることができるのですか？すべての時計と時計は振り子と歯車の動きから切り離せないものであり、正確な振動周波数で振り子が振動することにより、歯車は数秒間回転し、正確な時計も例外ではありません。したがって、より正確な時計を作るためには、振動数の高い振り子を使用する必要があります。クォーツ時計（振り子の代わりに水晶で振動する時計）は、クォーツ共振器が1秒間に多くの回数振動するため、振り子時計よりも正確です。
現在は時間標準となっているセシウム原子時計は、約9.2ギガヘルツ（国際単位ギガの接頭辞、1ギガ= 10 ^ 9）の周波数で振動します。原子時計は、セシウム原子の固有振動数を利用して、振り子を同じ振動数の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、可視光の発振周波数はマイクロ波の10万倍から1,000,000倍です。つまり、可視光エネルギーを使用して、原子時計の数百万倍の精度の精密時計を作成します。可視光を使用した世界で最も正確な時計が、実験室でうまく構築されました。
この正確な時計の助けを借りて、アインシュタインの相対性理論を検証することができます。これらの正確な時計の1つを実験室に置き、もう1つを階下のオフィスに置いて、何が起こるかを考慮して、1〜2時間後、結果はアインシュタインの相対性理論によって予測されたとおりでした。 「フロア間では、2つの時計が同じ時刻を指すことはなくなり、階下の時計は2階の時計よりも遅くなります。より正確な時計があれば、その日は手首と足首の時刻さえ違うかもしれません。正確な時計の助けを借りて、相対性理論の魔法を簡単に体験することができます。

光速減速技術
1999年、米国のハバード大学のRainer Howe教授は、光を毎秒17メートルまで減速することに成功しました。これは、車が追いつくことができる速度であり、その後、自転車でも追いつくことができるレベルまで減速することに成功しました。この実験には、物理​​学の最先端の研究が含まれています。この記事では、実験を成功させるための2つの鍵のみを紹介します。 1つは、絶対零度（-273.15°C）に近い非常に低い温度でナトリウム原子の「雲」を構築することです。これは、ボーズ・アインシュタイン凝縮と呼ばれる特殊なガス状態です。もう1つは、振動周波数を変調してナトリウム原子の雲を照射するレーザー（制御用レーザー）で、その結果、驚くべきことが起こります。
科学者は最初に制御レーザーを使用して原子の雲の中のパルス光を圧縮し、速度は非常に遅くなります。このとき、制御レーザーはオフになり、パルス光は消え、パルス光で運ばれた情報は原子の雲に保存されます。 。その後、制御レーザーを照射し、パルス光を回収して原子雲から出ます。したがって、元々圧縮されていたパルスが再び引き伸ばされ、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、リセットに似ているため、このテクノロジーは量子コンピューターの実現に役立ちます。

「フェムト秒」から「アト秒」への世界
フェムト秒私たちの想像を超えています。これで、フェムト秒よりも短いアト秒の世界に戻りました。 Aは、SIプレフィックスattoの略語です。 1アト秒= 1×10 ^ -18秒=フェムト秒の1000分の1。パルスを短くするには、より短い波長の光を使用する必要があるため、可視光でアト秒パルスを作成することはできません。例えば、赤色の可視光でパルスを作る場合、その波長よりも短いパルスを作ることはできません。可視光には約2フェムト秒の制限があり、アト秒パルスはより短い波長のX線またはガンマ線を使用します。アト秒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、生体分子を視覚化するためにアト秒フラッシュを使用すると、非常に短い時間スケールでそれらの活動を観察し、おそらく生体分子の構造を正確に特定することができます。