Застосування фемтосекундного лазера в медицині

A Фемтосекундний лазерце пристрій, що генерує світло з ультракороткими імпульсами, який випромінює світло протягом ультракороткого часу лише приблизно в трильйонну частку секунди. Фей — це абревіатура префікса фемто в Міжнародній системі одиниць і 1 фемтосекунда=1×10^-15 секунда. Так зване імпульсне світло випромінює світло лише на мить. Час випромінювання світла від спалаху фотоапарата становить приблизно 1 мікросекунду, тому фемтосекундне ультракороткоімпульсне світло має лише близько однієї мільярдної частини свого часу для випромінювання світла. Як ми всі знаємо, світло летить із незрівнянною швидкістю 300 000 кілометрів на секунду (обігаючи навколо Землі сім з половиною разів за одну секунду). Однак за одну фемтосекунду світло просувається лише на 0,3 мікрона.

Зазвичай ми використовуємо фотографію зі спалахом, щоб зафіксувати миттєвий стан рухомих об’єктів. Подібним чином, якщо ви використовуєте фемтосекундний лазер для спалаху, можна побачити кожен фрагмент хімічної реакції, яка відбувається з шаленою швидкістю. Для цього можна використовувати фемтосекундні лазери для вивчення таємниць хімічних реакцій.

Загальні хімічні реакції протікають після проходження проміжного стану з високою енергією, так званого «активованого стану». Існування активованого стану було теоретично передбачено хіміком Арреніусом ще в 1889 році, але оскільки воно існувало дуже короткий момент, його не можна було безпосередньо спостерігати. Але його існування було прямо продемонстровано наприкінці 1980-х фемтосекундними лазерами, прикладом використання фемтосекундних лазерів для точного визначення хімічних реакцій. Наприклад, молекула циклопентанону в активованому стані розпадається на оксид вуглецю і 2 молекули етилену.

В даний час фемтосекундні лазери також використовуються в широкому діапазоні галузей, таких як фізика, хімія, науки про життя, медицина та техніка. Зокрема, очікується, що поєднання світла та електроніки відкриє різноманітні нові можливості у сферах зв’язку, комп’ютерів та енергетики. Це тому, що інтенсивність світла може передавати великі обсяги інформації з одного місця в інше майже без втрат, роблячи оптичний зв’язок ще швидшим. У галузі ядерної фізики фемтосекундні лазери зробили величезний вплив. Оскільки імпульсне світло має дуже сильне електричне поле, можна прискорити електрони до швидкості світла за 1 фемтосекунду, тому його можна використовувати як «прискорювач» для прискорення електронів.

Застосування в медицині
Як згадувалося вище, у світі протягом фемтосекунд навіть світло застигає і не може рухатися дуже далеко, але навіть на цьому часовому масштабі атоми та молекули речовини та електрони всередині комп’ютерних мікросхем все ще рухаються в ланцюзі. Якщо ви використовуєте фемтосекундний імпульс, ви можете миттєво зупинити його та дослідити, що відбувається. Окрім спалаху для зупинки часу, фемтосекундні лазери також можуть свердлити мікроотвори в металі діаметром до 200 нанометрів (дві десятитисячні міліметра). Це означає, що ультракороткий імпульс світла, який стискається та замикається всередині за короткий проміжок часу, досягає неймовірного ефекту надвисокої потужності, не завдаючи додаткової шкоди оточенню. Крім того, імпульсне світло фемтосекундних лазерів може отримувати тривимірні зображення об’єктів із надзвичайно дрібними деталями. Стереоскопічна фотозйомка дуже корисна в медичній діагностиці, відкриваючи таким чином нову область досліджень під назвою оптична інтерференційна томографія. Це тривимірне зображення живої тканини та живих клітин, отримане за допомогою фемтосекундного лазера. Наприклад, дуже короткий імпульс світла спрямований на шкіру. Імпульсне світло відбивається на поверхні шкіри, і частина імпульсного світла випромінюється в шкіру. Внутрішня частина шкіри складається з багатьох шарів. Імпульсне світло, яке потрапляє на шкіру, відбивається назад у вигляді невеликого імпульсного світла. За відлунням цих різноманітних імпульсних променів у відбитому світлі можна дізнатися про внутрішню структуру шкіри.

Крім того, ця технологія має велику практичність в офтальмології, здатна отримувати тривимірні зображення сітківки глибоко в оці. Це дозволяє лікарям діагностувати проблеми з їхніми тканинами. Цей вид обстеження не обмежується очима. Якщо лазер направити в тіло за допомогою оптичного волокна, він може досліджувати всі тканини різних органів тіла. У майбутньому, можливо, навіть можна буде виявити, чи він перетворився на рак.

Реалізація надточних годинників
Вчені вважають, що якщо використовувати видиме світло для виготовлення фемтосекундного лазерного годинника, він зможе вимірювати час точніше, ніж атомний годинник, і в найближчі кілька років стане найточнішим годинником у світі. Якщо годинник точний, це також значно покращує точність GPS (системи глобального позиціонування), яка використовується для автомобільної навігації.

Чому видиме світло може зробити точний годинник? Всі годинники незамінні для руху маятників і шестерень. Завдяки коливанню маятника з точною частотою вібрації шестерні обертаються протягом секунд, і точні годинники не є винятком. Тому для виготовлення більш точних годинників необхідно використовувати маятник з більшою частотою коливань. Кварцові годинники (годинники, які використовують коливання кристала замість маятника) точніші, ніж маятникові, оскільки кварцовий резонатор коливається більше разів на секунду.

Цезієвий атомний годинник, який зараз використовується як еталон часу, має частоту коливань приблизно 9,2 гігагерца (префікс міжнародної одиниці гігагерца, 1 гігагерц=10^9). Атомний годинник використовує власну частоту коливань атомів цезію та замінює маятник мікрохвилями, частота коливань яких є постійною. Його точність становить лише одну секунду за десятки мільйонів років. Навпаки, частота коливань видимого світла в 100,000 до 1,000,000 разів вища за частоту мікрохвильових коливань. Тобто енергію видимого світла можна використовувати для створення точних годинників, які в мільйони разів точніші за атомні. Найточніший у світі годинник, який використовує видиме світло, тепер успішно створено в лабораторії.

Теорію відносності Ейнштейна можна перевірити за допомогою цього точного годинника. Один такий точний годинник ми розмістили в лабораторії, а другий – в офісі внизу, і розглянули можливі ситуації. Через одну-дві години результат був таким, як передбачала теорія відносності Ейнштейна. Через те, що між поверхами існують різні «поля тяжіння», два годинники більше не показують один і той самий час, і годинник внизу працює повільніше, ніж годинник нагорі. Якби використовувався точніший годинник, можливо, навіть годинник на зап’ясті та щиколотці показував би інший час того дня. Ми можемо просто відчути чарівність теорії відносності за допомогою точних годинників.

технологія уповільнення швидкості світла
У 1999 році професор Райнер Хау з Університету Хаббарда в Сполучених Штатах успішно сповільнив світло до 17 метрів за секунду, швидкість, яку можуть наздогнати автомобілі, а потім успішно сповільнив світло до швидкості, яку можуть наздогнати навіть велосипеди. Цей експеримент передбачає найсучасніші дослідження фізики. У цій статті описано лише два ключі до успіху експерименту. Перший полягає в створенні «хмари» атомів натрію з надзвичайно низькою температурою, близькою до абсолютного нуля (-273.15 градусів), особливого газового стану, який називається конденсатом Бозе-Ейнштейна. Інший — це лазер, який регулює частоту вібрації (керуючий лазер) і використовує його для освітлення хмари атомів натрію, і відбувається щось неймовірне.

Вчені спочатку використовують контрольний лазер, щоб стиснути імпульсне світло в хмарі атомів і надзвичайно сповільнити його. Потім вони вимикають керуючий лазер і імпульсне світло зникає. Інформація, що передається імпульсним світлом, зберігається в хмарі атомів. . Потім його опромінюють керованим лазером, і імпульсне світло відновлюється та виходить із хмари атомів. В результаті спочатку стиснутий імпульс знову розширюється і швидкість відновлюється. Весь процес введення імпульсної світлової інформації в атомну хмару дуже схожий на зчитування, збереження та скидання в комп’ютері. Тому ця технологія може допомогти реалізувати квантові комп’ютери.

Від світу «фемтосекунд» до «атосекунд»

Фемтосекунди виходять за рамки нашої уяви. Тепер ми занурюємось у світ аттосекунд, які коротші за фемтосекунди. Ах — це абревіатура префікса «атто» Міжнародної системи одиниць. 1 аттосекунда=1×10^-18 секунд=одна тисячна фемтосекунди. Атосекундні імпульси не можна створювати за допомогою видимого світла, оскільки для скорочення імпульсів потрібно використовувати світло з меншою довжиною хвилі. Наприклад, якщо ви хочете створити імпульс за допомогою червоного видимого світла, неможливо створити імпульс, коротший за цю довжину хвилі. Видиме світло має межу близько 2 фемтосекунд, тому аттосекундні імпульси використовують рентгенівські або гамма-промені з меншою довжиною хвилі. Незрозуміло, що буде виявлено в майбутньому за допомогою аттосекундних рентгенівських імпульсів. Наприклад, використання аттосекундних спалахів для візуалізації біомолекул дозволяє нам спостерігати за їх діяльністю в дуже короткому часовому масштабі та, можливо, ідентифікувати структуру біомолекул.

Контактна інформація:

Якщо у вас є якісь ідеї, не соромтеся поговорити з нами. Незалежно від того, де знаходяться наші клієнти та які наші вимоги, ми будемо слідувати нашій меті надавати нашим клієнтам високу якість, низькі ціни та найкращий сервіс.