Aplicacions del làser femtosegon en medicina

A Làser femtosegonés un dispositiu generador de "llum de pols ultra curt" que emet llum durant un temps ultrabreu de només una bil·lonèsima part de segon. Fei és l'abreviatura del prefix femto al Sistema Internacional d'Unitats, i 1 femtosegon=1×10^-15 segons. L'anomenada llum de pols només emet llum per un moment. El temps d'emissió de llum del flaix d'una càmera és d'aproximadament 1 microsegon, de manera que la llum de pols ultra curt de femtosegon només té al voltant d'una mil·milionèsima part del seu temps per emetre llum. Com tots sabem, la velocitat de la llum vola a una velocitat incomparable de 300,000 quilòmetres per segon (envoltant la Terra set vegades i mitja en un segon). Tanmateix, en un femtosegon, la llum només avança 0,3 micres.

Normalment, fem servir la fotografia amb flaix per capturar l'estat instantani dels objectes en moviment. De la mateixa manera, si feu servir un làser de femtosegons per parpellejar, és possible veure cada fragment d'una reacció química que es produeix a una velocitat violenta. Per fer-ho, es poden utilitzar làsers de femtosegons per estudiar els misteris de les reaccions químiques.

Les reaccions químiques generals procedeixen després de passar per un estat intermedi amb alta energia, l'anomenat "estat activat". L'existència de l'estat activat va ser predita teòricament pel químic Arrhenius ja l'any 1889, però com que va existir durant un moment molt curt, no es va poder observar directament. Però la seva existència es va demostrar directament a finals de la dècada de 1980 amb làsers de femtosegons, un exemple de l'ús de làsers de femtosegons per identificar les reaccions químiques. Per exemple, la molècula de ciclopentanona es descompon en monòxid de carboni i 2 molècules d'etilè en estat activat.

Avui en dia, els làsers de femtosegons també s'utilitzen en una àmplia gamma de camps com la física, la química, les ciències de la vida, la medicina i l'enginyeria. En particular, s'espera que la combinació de llum i electrònica obri diverses noves possibilitats en els camps de les comunicacions, els ordinadors i l'energia. Això es deu al fet que la intensitat de la llum pot transmetre grans quantitats d'informació d'un lloc a un altre sense gairebé cap pèrdua, fent que les comunicacions òptiques siguin encara més ràpides. En el camp de la física nuclear, els làsers de femtosegons han tingut un gran impacte. Com que la llum polsada té un camp elèctric molt fort, és possible accelerar els electrons a prop de la velocitat de la llum en 1 femtosegon, de manera que es pot utilitzar com a "accelerador" per accelerar electrons.

Aplicació en Medicina
Com s'ha esmentat anteriorment, al món en femtosegons, fins i tot la llum es congela i no pot moure's molt lluny, però fins i tot en aquesta escala de temps, els àtoms i les molècules de la matèria i els electrons dins dels xips d'ordinador encara es mouen dins del circuit. Si utilitzeu un pols de femtosegon, podeu aturar-lo a l'instant i estudiar què passa. A més de parpellejar per aturar el temps, els làsers de femtosegons també poden perforar microforats en metall amb un diàmetre tan petit com 200 nanòmetres (dues deu mil·lèsimes de mil·límetre). Això significa que la llum de pols ultra-curt que es comprimeix i es tanca a l'interior en un curt període de temps aconsegueix un efecte sorprenent de sortida ultra alta sense causar danys addicionals a l'entorn. A més, la llum polsada dels làsers de femtosegons pot capturar imatges tridimensionals d'objectes amb un detall extremadament fi. La fotografia d'imatge estereoscòpica és molt útil en el diagnòstic mèdic, obrint així un nou camp d'investigació anomenat tomografia d'interferència òptica. Aquesta és una imatge tridimensional de teixits vius i cèl·lules vives capturades amb un làser de femtosegon. Per exemple, un pols de llum molt curt es dirigeix ​​a la pell. La llum del pols es reflecteix a la superfície de la pell i part de la llum del pols s'emet a la pell. L'interior de la pell es compon de moltes capes. La llum de pols que entra a la pell es recupera com una petita llum de pols. A partir dels ecos d'aquestes diferents llums de pols a la llum reflectida, es pot conèixer l'estructura interna de la pell.

A més, aquesta tecnologia té una gran utilitat en medicina oftàlmica, capaç de captar imatges tridimensionals de la retina profundament a l'ull. Això permet als metges diagnosticar problemes amb els seus teixits. Aquest tipus d'examen no es limita als ulls. Si s'envia un làser al cos mitjançant fibra òptica, pot examinar tots els teixits de diversos òrgans del cos. En el futur, fins i tot és possible detectar si s'ha convertit en càncer.

Realització de rellotges ultra precisos
Els científics creuen que si s'utilitza llum visible per fer un rellotge làser de femtosegons, serà capaç de mesurar el temps amb més precisió que un rellotge atòmic i servirà com el rellotge més precís del món en els propers anys. Si el rellotge és precís, també millora molt la precisió del GPS (Sistema de posicionament global) utilitzat per a la navegació del cotxe.

Per què la llum visible pot fer un rellotge precís? Tots els rellotges i rellotges són indispensables per al moviment de pèndols i engranatges. A través del balanceig d'un pèndol amb una freqüència de vibració precisa, els engranatges giren durant segons i els rellotges precisos no són una excepció. Per tant, per fer un rellotge més precís, cal utilitzar un pèndol amb una freqüència de vibració més alta. Els rellotges de quars (rellotges que utilitzen l'oscil·lació de cristall en lloc d'un pèndol) són més precisos que els rellotges de pèndol perquè el ressonador de quars oscil·la més vegades per segon.

El rellotge atòmic de cesi que s'utilitza actualment com a estàndard de temps té una freqüència d'oscil·lació d'uns 9,2 gigahertzs ​​(el prefix de la unitat internacional de gigahertz, 1 gigahertz=10^9). El rellotge atòmic utilitza la freqüència d'oscil·lació natural dels àtoms de cesi i substitueix el pèndol per microones la freqüència d'oscil·lació de les quals és consistent. La seva precisió és de només un segon en desenes de milions d'anys. En canvi, la llum visible té una freqüència d'oscil·lació que és de 100,000 a 1,000,000 vegades superior a la freqüència d'oscil·lació del microones. És a dir, l'energia de la llum visible es pot utilitzar per crear rellotges de precisió milions de vegades més precisos que els rellotges atòmics. El rellotge més precís del món que utilitza llum visible s'ha construït amb èxit en un laboratori.

La teoria de la relativitat d'Einstein es pot verificar amb l'ajuda d'aquest rellotge precís. Vam col·locar un rellotge tan precís al laboratori i l'altre a l'oficina de la planta baixa, i vam considerar possibles situacions. Després d'una o dues hores, el resultat va ser el previst per la teoria de la relativitat d'Einstein. A causa dels dos Hi ha diferents "camps gravitatoris" entre els pisos, de manera que els dos rellotges ja no apunten a la mateixa hora, i el rellotge de la planta baixa va més lent que el de dalt. Si s'utilitzi un rellotge més precís, potser fins i tot els rellotges que es porten al canell i al turmell indicarien diferents hores d'aquell dia. Simplement podem experimentar l'encant de la relativitat amb l'ajuda de rellotges precisos.

velocitat de la llum alentint la tecnologia
L'any 1999, el professor Rainer Howe de la Universitat Hubbard dels Estats Units va reduir amb èxit la llum a 17 metres per segon, una velocitat que els cotxes poden posar al dia, i després va reduir la llum amb èxit a una velocitat que fins i tot les bicicletes poden posar-se al dia. Aquest experiment implica la investigació més puntera en física. Aquest article només presenta dues claus per a l'èxit de l'experiment. Un és construir un "núvol" d'àtoms de sodi de temperatura extremadament baixa propers al zero absolut (-273,15 graus), un estat de gas especial anomenat condensat de Bose-Einstein. L'altre és un làser que ajusta la freqüència de vibració (làser de control), i l'utilitza per il·luminar un núvol d'àtoms de sodi, i passa alguna cosa increïble.

Els científics utilitzen primer un làser de control per comprimir la llum del pols en el núvol d'àtoms i frenar-lo extremadament. Llavors apaguen el làser de control i la llum del pols desapareix. La informació transportada a la llum del pols s'emmagatzema en el núvol d'àtoms. . A continuació, s'irradia amb un làser controlat i la llum del pols es restaura i surt del núvol d'àtoms. Com a resultat, el pols comprimit originalment s'amplia de nou i es restableix la velocitat. Tot el procés d'introduir informació de llum polsada al núvol atòmic és molt semblant a llegir, emmagatzemar i restablir en un ordinador. Per tant, aquesta tecnologia pot ajudar a realitzar la realització dels ordinadors quàntics.

Del món del "femtosegon" al "atosegon"

Els femtosegons estan més enllà de la nostra imaginació. Ara ens aventurem al món dels attosegons, que són més curts que els femtosegons. Ah és l'abreviatura del prefix "atto" del Sistema Internacional d'Unitats. 1 attosegon=1×10^-18 segons=una mil·lèsima part de femtosegon. Els polsos d'atosegons no es poden fer amb llum visible perquè escurçar els polsos requereix l'ús de llum de longitud d'ona més curta. Per exemple, si voleu crear un pols amb llum visible vermella, és impossible crear un pols més curt que aquesta longitud d'ona. La llum visible té un límit d'uns 2 femtosegons, de manera que els polsos d'atosegons utilitzen raigs X o raigs gamma amb longituds d'ona més curtes. No està clar què es descobrirà en el futur mitjançant polsos de raigs X attosegons. Per exemple, utilitzar flaixos d'atosegons per visualitzar biomolècules ens permet observar les seves activitats en una escala de temps molt curta i potser identificar l'estructura de les biomolècules.

Informació de contacte:

Si teniu alguna idea, no dubteu a parlar amb nosaltres. Independentment d'on siguin els nostres clients i quins siguin els nostres requisits, seguirem el nostre objectiu d'oferir als nostres clients alta qualitat, preus baixos i el millor servei.