Zastosowania lasera femtosekundowego w medycynie

A Laser femtosekundowyto urządzenie generujące „ultrakrótki impuls światła”, które emituje światło przez bardzo krótki czas, wynoszący zaledwie około bilionowej części sekundy. Fei to skrót od przedrostka femto w Międzynarodowym Układzie Jednostek i 1 femtosekundy=1×10^-15 sekundy. Tak zwane światło pulsacyjne emituje światło tylko przez chwilę. Czas emisji światła przez lampę błyskową aparatu wynosi około 1 mikrosekundę, zatem ultrakrótkie światło impulsowe femtosekundowe ma tylko około jednej miliardowej czasu na wyemitowanie światła. Jak wszyscy wiemy, światło leci z niezrównaną prędkością 300000 kilometrów na sekundę (okrążając Ziemię siedem i pół razy w ciągu jednej sekundy). Jednak w ciągu jednej femtosekundy światło przemieszcza się tylko o 0,3 mikrona.

Zwykle używamy fotografowania z lampą błyskową, aby uchwycić chwilowy stan poruszających się obiektów. Podobnie, jeśli do błysku użyjesz lasera femtosekundowego, możesz zobaczyć każdy fragment reakcji chemicznej zachodzącej z ogromną szybkością. W tym celu można wykorzystać lasery femtosekundowe do badania tajemnic reakcji chemicznych.

Ogólne reakcje chemiczne zachodzą po przejściu przez stan pośredni o dużej energii, tzw. „stan aktywowany”. Istnienie stanu aktywowanego teoretycznie przepowiedział chemik Arrhenius już w 1889 roku, jednak ponieważ istniał on przez bardzo krótki moment, nie można było go bezpośrednio zaobserwować. Jednak jego istnienie zostało bezpośrednio wykazane pod koniec lat 80. XX wieku za pomocą laserów femtosekundowych, co stanowi przykład wykorzystania laserów femtosekundowych do dokładnego określania reakcji chemicznych. Na przykład cząsteczka cyklopentanonu w stanie aktywowanym rozkłada się na tlenek węgla i 2 cząsteczki etylenu.

Obecnie lasery femtosekundowe są również wykorzystywane w wielu dziedzinach, takich jak fizyka, chemia, nauki przyrodnicze, medycyna i inżynieria. W szczególności oczekuje się, że połączenie światła i elektroniki otworzy różne nowe możliwości w dziedzinie komunikacji, komputerów i energii. Dzieje się tak dlatego, że intensywność światła może przesyłać duże ilości informacji z jednego miejsca do drugiego niemal bez strat, dzięki czemu komunikacja optyczna jest jeszcze szybsza. W dziedzinie fizyki jądrowej lasery femtosekundowe wywarły ogromny wpływ. Ponieważ światło pulsacyjne ma bardzo silne pole elektryczne, możliwe jest przyspieszenie elektronów do prędkości bliskiej prędkości światła w ciągu 1 femtosekundy, dzięki czemu można je wykorzystać jako „akcelerator” do przyspieszania elektronów.

Zastosowanie w medycynie
Jak wspomniano powyżej, w świecie w ciągu femtosekund nawet światło zostaje zamrożone i nie może przemieszczać się na duże odległości, ale nawet w tej skali czasu atomy i cząsteczki materii oraz elektrony w chipach komputerowych nadal poruszają się w obwodzie. Jeśli użyjesz impulsu femtosekundowego, możesz go natychmiast zatrzymać i zbadać, co się stanie. Oprócz flashowania w celu zatrzymania czasu, lasery femtosekundowe mogą również wiercić mikrootwory w metalu o średnicy zaledwie 200 nanometrów (dwie dziesięciotysięczne milimetra). Oznacza to, że światło o ultrakrótkim impulsie, skompresowane i zamknięte w środku w krótkim czasie, osiąga niesamowity efekt ultrawysokiej mocy, nie powodując przy tym dodatkowych uszkodzeń otoczenia. Co więcej, pulsacyjne światło laserów femtosekundowych może rejestrować trójwymiarowe obrazy obiektów z niezwykłą szczegółowością. Fotografia stereoskopowa jest bardzo przydatna w diagnostyce medycznej, otwierając tym samym nową dziedzinę badań zwaną optyczną tomografią interferencyjną. To trójwymiarowy obraz żywej tkanki i żywych komórek zarejestrowany za pomocą lasera femtosekundowego. Przykładowo na skórę kierowany jest bardzo krótki impuls światła. Światło pulsacyjne odbija się od powierzchni skóry, a część światła pulsacyjnego jest emitowana w głąb skóry. Wnętrze skóry składa się z wielu warstw. Światło pulsacyjne, które dociera do skóry, jest odbijane z powrotem w postaci małego światła pulsacyjnego. Na podstawie echa różnych pulsujących świateł w świetle odbitym można poznać wewnętrzną strukturę skóry.

Ponadto technologia ta ma dużą praktyczność w medycynie okulistycznej, umożliwiając przechwytywanie trójwymiarowych obrazów siatkówki głęboko w oku. Dzięki temu lekarze mogą diagnozować problemy z tkankami. Ten rodzaj badania nie ogranicza się do oczu. Jeśli laser zostanie wysłany do organizmu za pomocą światłowodu, może zbadać wszystkie tkanki różnych narządów w organizmie. W przyszłości być może uda się nawet wykryć, czy doszło do przekształcenia się nowotworu w nowotwór.

Realizacja ultraprecyzyjnych zegarów
Naukowcy uważają, że jeśli do budowy femtosekundowego zegara laserowego zostanie wykorzystane światło widzialne, będzie on w stanie mierzyć czas z większą precyzją niż zegar atomowy i przez kilka najbliższych lat będzie najdokładniejszym zegarem na świecie. Jeśli zegar jest dokładny, znacznie poprawia to również dokładność systemu GPS (Global Positioning System) wykorzystywanego w nawigacji samochodowej.

Dlaczego światło widzialne może stanowić dokładny zegar? Wszystkie zegary i zegarki są niezbędne do ruchu wahadeł i przekładni. Dzięki ruchowi wahadła o precyzyjnej częstotliwości wibracji koła zębate obracają się przez kilka sekund, a dokładne zegary nie są tu wyjątkiem. Dlatego, aby wykonać dokładniejszy zegar, konieczne jest zastosowanie wahadła o wyższej częstotliwości drgań. Zegary kwarcowe (zegary wykorzystujące oscylacje kryształu zamiast wahadła) są dokładniejsze niż zegary wahadłowe, ponieważ rezonator kwarcowy oscyluje więcej razy na sekundę.

Cezowy zegar atomowy używany obecnie jako wzorzec czasu ma częstotliwość oscylacji około 9,2 gigaherca (przedrostek międzynarodowej jednostki gigaherca, 1 gigaherc=10^9). Zegar atomowy wykorzystuje naturalną częstotliwość oscylacji atomów cezu i zastępuje wahadło mikrofalami, których częstotliwość oscylacji jest stała. Jego dokładność wynosi tylko jedną sekundę na dziesiątki milionów lat. Natomiast światło widzialne ma częstotliwość oscylacji, która jest od 100,000 do 1,000,000 razy wyższa niż częstotliwość oscylacji mikrofal. Oznacza to, że energię światła widzialnego można wykorzystać do stworzenia precyzyjnych zegarów, które są miliony razy dokładniejsze niż zegary atomowe. Najdokładniejszy na świecie zegar wykorzystujący światło widzialne został z sukcesem zbudowany w laboratorium.

Za pomocą tego precyzyjnego zegara można zweryfikować teorię względności Einsteina. Jeden taki dokładny zegar umieściliśmy w laboratorium, a drugi w biurze na parterze i rozważaliśmy możliwe sytuacje. Po jednej lub dwóch godzinach wynik był zgodny z przewidywaniami teorii względności Einsteina. Z tego powodu między piętrami istnieją różne „pola grawitacyjne”, więc oba zegary nie wskazują już tej samej godziny, a zegar na dole chodzi wolniej niż zegar na piętrze. Gdyby zastosowano dokładniejszy zegar, być może nawet zegarki noszone na nadgarstku i kostce wskazywałyby inną godzinę tego dnia. Czaru teorii względności możemy po prostu doświadczyć za pomocą dokładnych zegarów.

technologia spowalniania prędkości światła
W 1999 roku profesor Rainer Howe z Hubbard University w Stanach Zjednoczonych z powodzeniem spowolnił światło do 17 metrów na sekundę, czyli prędkość, którą mogą dogonić samochody, a następnie skutecznie spowolnił światło do prędkości, którą mogą dogonić nawet rowery. Eksperyment ten obejmuje najnowocześniejsze badania w fizyce. W tym artykule przedstawiono jedynie dwa klucze do sukcesu eksperymentu. Jednym z nich jest zbudowanie „chmury” atomów sodu o wyjątkowo niskiej temperaturze, bliskiej zeru absolutnemu (-273,15 stopnia ), czyli specjalnego stanu gazowego zwanego kondensatem Bosego-Einsteina. Drugi to laser, który dostosowuje częstotliwość wibracji (laser kontrolny) i wykorzystuje ją do oświetlania chmury atomów sodu i dzieje się coś niesamowitego.

Naukowcy najpierw używają lasera kontrolnego do kompresji światła pulsacyjnego w chmurze atomów i znacznego jego spowolnienia. Następnie wyłączają laser kontrolny i światło pulsacyjne znika. Informacje przenoszone przez światło pulsacyjne przechowywane są w chmurze atomów. . Następnie zostaje naświetlony kontrolowanym laserem, a światło pulsacyjne zostaje przywrócone i wychodzi z chmury atomów. W rezultacie pierwotnie skompresowany impuls zostaje ponownie rozszerzony i prędkość zostaje przywrócona. Cały proces wprowadzania informacji o świetle pulsacyjnym do chmury atomowej jest bardzo podobny do odczytywania, przechowywania i resetowania w komputerze. Dlatego technologia ta może pomóc w realizacji komputerów kwantowych.

Ze świata „femtosekundy” do „attosekundy”

Femtosekundy przekraczają naszą wyobraźnię. Teraz wkraczamy w świat attosekund, które są krótsze niż femtosekundy. Ah to skrót od przedrostka „atto” w Międzynarodowym Układzie Jednostek Miar. 1 attosekunda=1×10^-18 sekund=jedna tysięczna femtosekundy. Impulsów attosekundowych nie można wytworzyć światłem widzialnym, ponieważ skrócenie impulsów wymaga użycia światła o krótszej długości fali. Na przykład, jeśli chcesz wytworzyć impuls przy użyciu czerwonego światła widzialnego, nie da się wytworzyć impulsu krótszego niż ta długość fali. Światło widzialne ma limit około 2 femtosekund, więc impulsy attosekundowe wykorzystują promieniowanie rentgenowskie lub promienie gamma o krótszych długościach fal. Nie jest jasne, co odkryje się w przyszłości za pomocą attosekundowych impulsów rentgenowskich. Na przykład użycie błysków attosekundowych do wizualizacji biomolekuł pozwala nam obserwować ich aktywność w bardzo krótkiej skali czasowej i być może zidentyfikować strukturę biomolekuł.

Informacje kontaktowe:

Jeśli masz jakiś pomysł, nie wahaj się z nami porozmawiać. Bez względu na to, gdzie są nasi klienci i jakie są nasze wymagania, będziemy podążać za naszym celem, aby zapewnić naszym klientom wysoką jakość, niskie ceny i najlepszą obsługę.