Aplikace femtosekundového laseru v medicíně

A Femtosekundový laserje zařízení generující "ultrakrátké pulsní světlo", které vydává světlo po ultrakrátkou dobu pouze asi biliontiny sekundy. Fei je zkratka předpony femto v Mezinárodní soustavě jednotek a 1 femtosekunda=1×10^-15 sekund. Takzvané pulzní světlo vyzařuje světlo jen na okamžik. Doba vyzařování světla záblesku fotoaparátu je asi 1 mikrosekunda, takže ultrakrátké pulzní světlo s ultrakrátkým pulzem femtosekund má na vyzařování světla jen asi jednu miliardtinu času. Jak všichni víme, rychlost světla letí bezpříkladnou rychlostí 300,{10}} kilometrů za sekundu (sedm a půlkrát oběhne Zemi za sekundu). Za jednu femtosekundu však světlo postoupí pouze o 0,3 mikronu.

Obvykle používáme fotografování s bleskem pro zachycení okamžitého stavu pohybujících se objektů. Podobně, pokud použijete k záblesku femtosekundový laser, je možné vidět každý fragment chemické reakce, ke které dojde při prudké rychlosti. K tomu lze použít femtosekundové lasery ke studiu záhad chemických reakcí.

Obecné chemické reakce probíhají po průchodu přechodným stavem s vysokou energií, tzv. "aktivovaným stavem". Existenci aktivovaného stavu teoreticky předpověděl chemik Arrhenius již v roce 1889, ale protože existoval jen velmi krátkou chvíli, nebylo možné jej přímo pozorovat. Ale jeho existence byla přímo demonstrována na konci osmdesátých let femtosekundovými lasery, příkladem použití femtosekundových laserů k přesnému určení chemických reakcí. Například molekula cyklopentanonu se v aktivovaném stavu rozkládá na oxid uhelnatý a 2 molekuly ethylenu.

V dnešní době se femtosekundové lasery používají také v celé řadě oborů, jako je fyzika, chemie, vědy o živé přírodě, medicína a strojírenství. Zejména se očekává, že kombinace světla a elektroniky otevře různé nové možnosti v oblasti komunikací, počítačů a energetiky. Je to proto, že intenzita světla dokáže přenést velké množství informací z jednoho místa na druhé téměř bez ztráty, díky čemuž je optická komunikace ještě rychlejší. V oblasti jaderné fyziky mají femtosekundové lasery obrovský dopad. Vzhledem k tomu, že pulzní světlo má velmi silné elektrické pole, je možné urychlit elektrony na rychlost blízkou rychlosti světla během 1 femtosekundy, takže jej lze použít jako „urychlovač“ k urychlení elektronů.

Aplikace v medicíně
Jak bylo zmíněno výše, ve světě v rámci femtosekund je i světlo zamrzlé a nemůže se pohybovat příliš daleko, ale i v tomto časovém měřítku se atomy a molekuly v hmotě a elektrony uvnitř počítačových čipů stále pohybují v okruhu. Pokud použijete femtosekundový puls, můžete jej okamžitě zastavit a studovat, co se stane. Femtosekundové lasery mohou kromě blikání zastavit čas také vrtat mikrootvory do kovu o průměru pouhých 200 nanometrů (dvě desetitisíciny milimetru). To znamená, že ultrakrátké pulzní světlo, které je stlačeno a uzamčeno uvnitř během krátké doby, dosahuje úžasného efektu ultra vysokého výkonu, aniž by způsobilo další poškození okolí. Pulzní světlo femtosekundových laserů navíc dokáže zachytit trojrozměrné obrazy objektů s extrémně jemnými detaily. Stereoskopická obrazová fotografie je velmi užitečná v lékařské diagnostice, čímž otevírá nový výzkumný obor nazývaný optická interferenční tomografie. Jedná se o trojrozměrný obraz živé tkáně a živých buněk zachycený pomocí femtosekundového laseru. Například velmi krátký puls světla míří na kůži. Pulzní světlo se odráží na povrchu kůže a část pulzního světla je vyzařována do kůže. Vnitřek kůže je složen z mnoha vrstev. Pulzní světlo, které vstupuje do kůže, se odráží zpět jako malé pulzní světlo. Z ozvěn těchto různých pulzních světel v odraženém světle lze poznat vnitřní strukturu kůže.

Tato technologie má navíc velkou praktičnost v oční medicíně, protože je schopna zachytit trojrozměrné snímky sítnice hluboko v oku. To umožňuje lékařům diagnostikovat problémy s jejich tkáněmi. Tento druh vyšetření se neomezuje pouze na oči. Pokud je laser vyslán do těla pomocí optického vlákna, dokáže prozkoumat všechny tkáně různých orgánů v těle. V budoucnu se možná podaří odhalit i to, zda se z ní stala rakovina.

Realizace ultra-přesných hodin
Vědci se domnívají, že pokud se k výrobě femtosekundových laserových hodin použije viditelné světlo, budou schopny měřit čas přesněji než atomové hodiny a v příštích několika letech poslouží jako nejpřesnější hodiny na světě. Pokud jsou hodiny přesné, výrazně to zlepšuje i přesnost GPS (Global Positioning System) používaného pro automobilovou navigaci.

Proč může viditelné světlo vytvořit přesné hodiny? Všechny hodiny a hodinky jsou nepostradatelné pro pohyb kyvadel a ozubených kol. Prostřednictvím švihu kyvadla s přesnou frekvencí vibrací se ozubená kola točí několik sekund a výjimkou nejsou ani přesné hodiny. Pro zhotovení přesnějších hodin je tedy nutné použít kyvadlo s vyšší frekvencí vibrací. Křemenné hodiny (hodiny využívající oscilaci krystalu místo kyvadla) jsou přesnější než kyvadlové hodiny, protože quartzový rezonátor kmitá vícekrát za sekundu.

Cesiové atomové hodiny, které se v současnosti používají jako časový standard, mají frekvenci oscilací asi 9,2 gigahertzů (předpona mezinárodní jednotky gigahertz, 1 gigahertz=10^9). Atomové hodiny využívají vlastní frekvenci kmitů atomů cesia a nahrazují kyvadlo mikrovlnami, jejichž kmitání je konzistentní. Jeho přesnost je pouhá jedna sekunda za desítky milionů let. Naproti tomu viditelné světlo má frekvenci oscilací, která je 100,000 až 1,000,000krát vyšší než frekvence mikrovlnných oscilací. To znamená, že energii viditelného světla lze použít k vytvoření přesných hodin, které jsou milionkrát přesnější než atomové hodiny. Nejpřesnější hodiny na světě, které využívají viditelné světlo, byly nyní úspěšně postaveny v laboratoři.

Einsteinova teorie relativity může být ověřena pomocí těchto přesných hodin. Jedny takové přesné hodiny jsme umístili do laboratoře a druhé do kanceláře dole a zvažovali možné situace. Po jedné nebo dvou hodinách byl výsledek takový, jaký předpověděla Einsteinova teorie relativity. Kvůli dvěma Mezi patry jsou různá „gravitační pole“, takže dvě hodiny už neukazují na stejný čas a hodiny dole běží pomaleji než hodiny nahoře. Kdyby byly použity přesnější hodiny, možná by i hodinky na zápěstí a kotníku ukazovaly různé časy toho dne. Jednoduše můžeme zažít kouzlo relativity pomocí přesných hodin.

technologie zpomalení rychlosti světla
V roce 1999 profesor Rainer Howe z Hubbardovy univerzity ve Spojených státech úspěšně zpomalil světlo na 17 metrů za sekundu, což je rychlost, kterou dokážou auta dohnat, a poté úspěšně zpomalil světlo na rychlost, kterou dokážou i jízdní kola. Tento experiment zahrnuje nejmodernější výzkum ve fyzice. Tento článek představuje pouze dva klíče k úspěchu experimentu. Jedním z nich je vybudovat "oblak" extrémně nízkoteplotních atomů sodíku blízkých absolutní nule (-273 0,15 stupně), což je zvláštní plynný stav nazývaný Bose-Einsteinův kondenzát. Druhým je laser, který upravuje frekvenci vibrací (řídící laser) a používá ji k osvětlení oblaku atomů sodíku a stane se něco neuvěřitelného.

Vědci nejprve pomocí kontrolního laseru komprimují pulzní světlo v oblaku atomů a extrémně jej zpomalují. Poté vypnou kontrolní laser a pulzní světlo zmizí. Informace přenášené pulzním světlem jsou uloženy v oblaku atomů. . Poté se ozáří řízeným laserem a pulzní světlo se obnoví a vystoupí z oblaku atomů. Tím se původně komprimovaný puls opět rozšíří a rychlost se obnoví. Celý proces vkládání informací o pulzním světle do atomového oblaku je velmi podobný čtení, ukládání a resetování v počítači. Proto tato technologie může pomoci realizovat realizaci kvantových počítačů.

Ze světa „femtosekundy“ k „attosekundě“

Femtosekundy jsou mimo naši představivost. Nyní se pouštíme do světa attosekund, které jsou kratší než femtosekundy. Ah je zkratka předpony „atto“ mezinárodní soustavy jednotek. 1 attosekunda=1×10^-18 sekund=jedna tisícina femtosekundy. Attosekundové pulsy nelze vytvořit viditelným světlem, protože zkrácení pulsů vyžaduje použití světla s kratší vlnovou délkou. Například, pokud chcete vytvořit pulz pomocí červeného viditelného světla, není možné vytvořit pulz kratší než tato vlnová délka. Viditelné světlo má limit asi 2 femtosekundy, takže attosekundové pulzy využívají rentgenové nebo gama záření s kratšími vlnovými délkami. Není jasné, co bude v budoucnu objeveno pomocí attosekundových rentgenových pulzů. Například použití attosekundových záblesků k vizualizaci biomolekul nám umožňuje pozorovat jejich aktivity ve velmi krátkém časovém měřítku a možná identifikovat strukturu biomolekul.

Kontaktní informace:

Pokud máte nějaké nápady, neváhejte se na nás obrátit. Bez ohledu na to, kde jsou naši zákazníci a jaké jsou naše požadavky, budeme sledovat náš cíl poskytovat našim zákazníkům vysokou kvalitu, nízké ceny a nejlepší služby.