Εφαρμογές λέιζερ Femtosecond στην Ιατρική

A Femtosecond Laserείναι μια συσκευή παραγωγής «υπερκοντού παλμικού φωτός» που εκπέμπει φως για εξαιρετικά σύντομο χρόνο μόνο περίπου ενός τρισεκατομμυρίου του δευτερολέπτου. Το Fei είναι η συντομογραφία του προθέματος femto στο Διεθνές Σύστημα Μονάδων και 1 femtosecond=1×10^-15 δευτερόλεπτα. Το λεγόμενο παλμικό φως εκπέμπει φως μόνο για μια στιγμή. Ο χρόνος εκπομπής φωτός του φλας μιας φωτογραφικής μηχανής είναι περίπου 1 μικροδευτερόλεπτο, επομένως το υπερμικρό παλμικό φως femtosecond έχει μόνο περίπου το ένα δισεκατομμυριοστό του χρόνου του για να εκπέμψει φως. Όπως όλοι γνωρίζουμε, η ταχύτητα του φωτός πετά με απαράμιλλη ταχύτητα 300,{10}} χιλιομέτρων ανά δευτερόλεπτο (κάνοντας κύκλους γύρω από τη γη επτάμιση φορές σε ένα δευτερόλεπτο). Ωστόσο, σε ένα femtosecond, το φως προχωρά μόνο 0,3 μικρά.

Συνήθως, χρησιμοποιούμε φωτογραφία με φλας για να καταγράψουμε τη στιγμιαία κατάσταση των κινούμενων αντικειμένων. Ομοίως, εάν χρησιμοποιείτε ένα λέιζερ femtosecond για να αναβοσβήνει, είναι δυνατό να δείτε κάθε θραύσμα μιας χημικής αντίδρασης που συμβαίνει με βίαιη ταχύτητα. Για να γίνει αυτό, μπορούν να χρησιμοποιηθούν λέιζερ femtosecond για τη μελέτη των μυστηρίων των χημικών αντιδράσεων.

Οι γενικές χημικές αντιδράσεις προχωρούν αφού περάσουν από μια ενδιάμεση κατάσταση με υψηλή ενέργεια, τη λεγόμενη «ενεργοποιημένη κατάσταση». Η ύπαρξη της ενεργοποιημένης κατάστασης είχε προβλεφθεί θεωρητικά από τον χημικό Arrhenius ήδη από το 1889, αλλά επειδή υπήρχε για πολύ μικρή στιγμή, δεν μπορούσε να παρατηρηθεί άμεσα. Όμως η ύπαρξή του αποδείχθηκε άμεσα στα τέλη της δεκαετίας του 1980 με λέιζερ φεμτοδευτερόλεπτου, ένα παράδειγμα χρήσης λέιζερ φεμτοδευτερόλεπτου για τον εντοπισμό χημικών αντιδράσεων. Για παράδειγμα, το μόριο κυκλοπεντανόνης αποσυντίθεται σε μονοξείδιο του άνθρακα και 2 μόρια αιθυλενίου σε ενεργοποιημένη κατάσταση.

Σήμερα, τα λέιζερ femtosecond χρησιμοποιούνται επίσης σε ένα ευρύ φάσμα πεδίων όπως η φυσική, η χημεία, οι βιοεπιστήμες, η ιατρική και η μηχανική. Συγκεκριμένα, ο συνδυασμός φωτός και ηλεκτρονικών αναμένεται να ανοίξει διάφορες νέες δυνατότητες στους τομείς των επικοινωνιών, των υπολογιστών και της ενέργειας. Αυτό συμβαίνει επειδή η ένταση του φωτός μπορεί να μεταδώσει μεγάλες ποσότητες πληροφοριών από το ένα μέρος στο άλλο χωρίς σχεδόν καμία απώλεια, κάνοντας τις οπτικές επικοινωνίες ακόμα πιο γρήγορες. Στον τομέα της πυρηνικής φυσικής, τα λέιζερ femtosecond έχουν κάνει τεράστιο αντίκτυπο. Επειδή το παλμικό φως έχει πολύ ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο, είναι δυνατό να επιταχύνει τα ηλεκτρόνια κοντά στην ταχύτητα του φωτός μέσα σε 1 femtosecond, επομένως μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως «επιταχυντής» για την επιτάχυνση των ηλεκτρονίων.

Εφαρμογή στην Ιατρική
Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, στον κόσμο μέσα σε femtoseconds, ακόμη και το φως παγώνει και δεν μπορεί να κινηθεί πολύ μακριά, αλλά ακόμη και σε αυτή τη χρονική κλίμακα, άτομα και μόρια στην ύλη και τα ηλεκτρόνια μέσα στα τσιπ υπολογιστών εξακολουθούν να κινούνται μέσα στο κύκλωμα. Εάν χρησιμοποιείτε παλμό femtosecond, μπορείτε να τον σταματήσετε αμέσως και να μελετήσετε τι συμβαίνει. Εκτός από το να αναβοσβήνουν για να σταματήσουν το χρόνο, τα λέιζερ femtosecond μπορούν επίσης να ανοίξουν μικροτρύπες σε μέταλλο με διάμετρο τόσο μικρή όσο 200 νανόμετρα (δύο δέκα χιλιοστά του χιλιοστού). Αυτό σημαίνει ότι το εξαιρετικά σύντομο παλμικό φως που συμπιέζεται και κλειδώνει μέσα σε σύντομο χρονικό διάστημα επιτυγχάνει ένα εκπληκτικό αποτέλεσμα εξαιρετικά υψηλής απόδοσης χωρίς να προκαλεί πρόσθετη ζημιά στο περιβάλλον. Επιπλέον, το παλμικό φως των λέιζερ femtosecond μπορεί να συλλάβει τρισδιάστατες εικόνες αντικειμένων με εξαιρετική λεπτομέρεια. Η στερεοσκοπική φωτογραφία εικόνων είναι πολύ χρήσιμη στην ιατρική διάγνωση, ανοίγοντας έτσι ένα νέο ερευνητικό πεδίο που ονομάζεται οπτική τομογραφία παρεμβολής. Αυτή είναι μια τρισδιάστατη εικόνα ζωντανού ιστού και ζωντανών κυττάρων που καταγράφηκαν με χρήση λέιζερ femtosecond. Για παράδειγμα, ένας πολύ σύντομος παλμός φωτός κατευθύνεται στο δέρμα. Το παλμικό φως αντανακλάται στην επιφάνεια του δέρματος και μέρος του παλμικού φωτός εκπέμπεται στο δέρμα. Το εσωτερικό του δέρματος αποτελείται από πολλά στρώματα. Το παλμικό φως που εισέρχεται στο δέρμα αναπηδά πίσω ως ένα μικρό παλμικό φως. Από τις ηχώ αυτών των διαφόρων παλμικών φώτων στο ανακλώμενο φως, μπορεί να γίνει γνωστή η εσωτερική δομή του δέρματος.

Επιπλέον, αυτή η τεχνολογία έχει μεγάλη πρακτικότητα στην οφθαλμική ιατρική, ικανή να συλλαμβάνει τρισδιάστατες εικόνες του αμφιβληστροειδούς βαθιά στο μάτι. Αυτό επιτρέπει στους γιατρούς να διαγνώσουν προβλήματα με τους ιστούς τους. Αυτού του είδους η εξέταση δεν περιορίζεται στα μάτια. Εάν ένα λέιζερ σταλεί στο σώμα χρησιμοποιώντας οπτική ίνα, μπορεί να εξετάσει όλους τους ιστούς διαφόρων οργάνων του σώματος. Στο μέλλον, ίσως είναι ακόμη δυνατό να ανιχνευθεί αν έχει μετατραπεί σε καρκίνο.

Πραγματοποιώντας εξαιρετικά ακριβή ρολόγια
Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι εάν το ορατό φως χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή ενός ρολογιού λέιζερ femtosecond, θα είναι σε θέση να μετρήσει τον χρόνο με μεγαλύτερη ακρίβεια από ένα ατομικό ρολόι και θα χρησιμεύσει ως το πιο ακριβές ρολόι στον κόσμο τα επόμενα χρόνια. Εάν το ρολόι είναι ακριβές, βελτιώνει επίσης σημαντικά την ακρίβεια του GPS (Global Positioning System) που χρησιμοποιείται για την πλοήγηση αυτοκινήτου.

Γιατί το ορατό φως μπορεί να κάνει ένα ακριβές ρολόι; Όλα τα ρολόγια και τα ρολόγια είναι απαραίτητα για την κίνηση των εκκρεμών και των γραναζιών. Μέσω της αιώρησης ενός εκκρεμούς με ακριβή συχνότητα κραδασμών, τα γρανάζια περιστρέφονται για δευτερόλεπτα και τα ακριβή ρολόγια δεν αποτελούν εξαίρεση. Επομένως, για να φτιάξετε ένα πιο ακριβές ρολόι, είναι απαραίτητο να χρησιμοποιήσετε ένα εκκρεμές με υψηλότερη συχνότητα δόνησης. Τα ρολόγια χαλαζία (ρολόγια που χρησιμοποιούν κρυσταλλική ταλάντωση αντί για εκκρεμές) είναι πιο ακριβή από τα ρολόγια με εκκρεμές επειδή ο συντονιστής χαλαζία ταλαντώνεται περισσότερες φορές ανά δευτερόλεπτο.

Το ατομικό ρολόι καισίου που χρησιμοποιείται επί του παρόντος ως πρότυπο χρόνου έχει συχνότητα ταλάντωσης περίπου 9,2 gigahertz (το πρόθεμα της διεθνούς μονάδας των gigahertz, 1 gigahertz=10^9). Το ατομικό ρολόι χρησιμοποιεί τη φυσική συχνότητα ταλάντωσης των ατόμων καισίου και αντικαθιστά το εκκρεμές με μικροκύματα των οποίων η συχνότητα ταλάντωσης είναι συνεπής. Η ακρίβειά του είναι μόνο ένα δευτερόλεπτο σε δεκάδες εκατομμύρια χρόνια. Αντίθετα, το ορατό φως έχει συχνότητα ταλάντωσης που είναι 100,000 έως 1,000,000 φορές υψηλότερη από τη συχνότητα ταλάντωσης των μικροκυμάτων. Δηλαδή, η ενέργεια του ορατού φωτός μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία ρολογιών ακριβείας που είναι εκατομμύρια φορές πιο ακριβή από τα ατομικά ρολόγια. Το πιο ακριβές ρολόι στον κόσμο που χρησιμοποιεί ορατό φως κατασκευάστηκε τώρα με επιτυχία σε εργαστήριο.

Η θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν μπορεί να επαληθευτεί με τη βοήθεια αυτού του ακριβούς ρολογιού. Τοποθετήσαμε ένα τέτοιο ακριβές ρολόι στο εργαστήριο και το άλλο στο γραφείο στον κάτω όροφο και εξετάσαμε πιθανές καταστάσεις. Μετά από μία ή δύο ώρες, το αποτέλεσμα ήταν όπως προέβλεπε η θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν. Λόγω των δύο Υπάρχουν διαφορετικά "βαρυτικά πεδία" μεταξύ των ορόφων, επομένως τα δύο ρολόγια δεν δείχνουν πλέον την ίδια ώρα, και το ρολόι στον κάτω όροφο τρέχει πιο αργά από το ρολόι στον επάνω όροφο. Εάν χρησιμοποιούταν ένα πιο ακριβές ρολόι, ίσως ακόμη και τα ρολόγια που φοριόνταν στον καρπό και τον αστράγαλο να έδειχναν διαφορετικές ώρες εκείνη την ημέρα. Μπορούμε απλά να βιώσουμε τη γοητεία της σχετικότητας με τη βοήθεια ακριβών ρολογιών.

τεχνολογία επιβράδυνσης ταχύτητας φωτός
Το 1999, ο καθηγητής Rainer Howe του Πανεπιστημίου Hubbard στις Ηνωμένες Πολιτείες επιβράδυνε επιτυχώς το φως στα 17 μέτρα ανά δευτερόλεπτο, μια ταχύτητα που μπορούν να φτάσουν τα αυτοκίνητα και στη συνέχεια επιβράδυνε επιτυχώς το φως σε μια ταχύτητα που μπορούν να φτάσουν ακόμη και τα ποδήλατα. Αυτό το πείραμα περιλαμβάνει την πιο αιχμή έρευνα στη φυσική. Αυτό το άρθρο εισάγει μόνο δύο κλειδιά για την επιτυχία του πειράματος. Το ένα είναι να δημιουργηθεί ένα «σύννεφο» από εξαιρετικά χαμηλής θερμοκρασίας άτομα νατρίου κοντά στο απόλυτο μηδέν (-273,15 μοίρες), μια ειδική κατάσταση αερίου που ονομάζεται συμπύκνωμα Bose-Einstein. Το άλλο είναι ένα λέιζερ που προσαρμόζει τη συχνότητα δόνησης (λέιζερ ελέγχου), και το χρησιμοποιεί για να φωτίσει ένα σύννεφο ατόμων νατρίου, και συμβαίνει κάτι απίστευτο.

Οι επιστήμονες χρησιμοποιούν πρώτα ένα λέιζερ ελέγχου για να συμπιέσουν το παλμικό φως στο νέφος των ατόμων και να το επιβραδύνουν εξαιρετικά. Στη συνέχεια σβήνουν το λέιζερ ελέγχου και η λυχνία παλμού εξαφανίζεται. Οι πληροφορίες που μεταφέρονται στο παλμικό φως αποθηκεύονται στο νέφος των ατόμων. . Στη συνέχεια ακτινοβολείται με ελεγχόμενο λέιζερ και το παλμικό φως αποκαθίσταται και βγαίνει από το νέφος των ατόμων. Ως αποτέλεσμα, ο αρχικά συμπιεσμένος παλμός διευρύνεται ξανά και η ταχύτητα αποκαθίσταται. Η όλη διαδικασία εισαγωγής πληροφοριών παλμικού φωτός στο ατομικό νέφος μοιάζει πολύ με την ανάγνωση, την αποθήκευση και την επαναφορά σε έναν υπολογιστή. Επομένως, αυτή η τεχνολογία μπορεί να βοηθήσει στην υλοποίηση των κβαντικών υπολογιστών.

Από τον κόσμο του "femtosecond" στο "attosecond"

Τα femtoseconds ξεπερνούν τη φαντασία μας. Τώρα μπαίνουμε στον κόσμο των αττοδευτερόλεπτων, τα οποία είναι μικρότερα από τα femtoseconds. Αχ είναι η συντομογραφία του προθέματος «atto» του Διεθνούς Συστήματος Μονάδων. 1 attosecond=1×10^-18 seconds=ένα χιλιοστό του femtosecond. Οι παλμοί Attosecond δεν μπορούν να γίνουν με ορατό φως επειδή η μείωση των παλμών απαιτεί τη χρήση φωτός μικρότερου μήκους κύματος. Για παράδειγμα, εάν θέλετε να δημιουργήσετε έναν παλμό χρησιμοποιώντας κόκκινο ορατό φως, είναι αδύνατο να δημιουργήσετε παλμό μικρότερο από αυτό το μήκος κύματος. Το ορατό φως έχει ένα όριο περίπου 2 femtosecond, επομένως οι παλμοί attosecond χρησιμοποιούν ακτίνες Χ ή ακτίνες γάμμα με μικρότερα μήκη κύματος. Δεν είναι σαφές τι θα ανακαλυφθεί στο μέλλον χρησιμοποιώντας παλμούς ακτίνων Χ attosecond. Για παράδειγμα, η χρήση φλας attosecond για την οπτικοποίηση των βιομορίων μας επιτρέπει να παρατηρήσουμε τις δραστηριότητές τους σε πολύ σύντομη χρονική κλίμακα και ίσως να αναγνωρίσουμε τη δομή των βιομορίων.

Στοιχεία επικοινωνίας:

Εάν έχετε οποιεσδήποτε ιδέες, μη διστάσετε να μιλήσετε μαζί μας. Ανεξάρτητα από το πού βρίσκονται οι πελάτες μας και ποιες είναι οι απαιτήσεις μας, θα ακολουθήσουμε τον στόχο μας να παρέχουμε στους πελάτες μας υψηλή ποιότητα, χαμηλές τιμές και την καλύτερη εξυπηρέτηση.