フェムト秒レーザーの応用 - 業界ニュース

フェムト秒レーザーは、わずか1ギガビット程度の1秒程度の超短時間で光を発する「超短パルス光」発生装置です。フェムトとは、国際単位系フェムト（フェムト）の略称で、1フェムト秒= 1×10^-15秒です。いわゆるパルス光は、光を放出するのは一瞬だけです。カメラのフラッシュの発光時間は約1マイクロ秒なので、フェムト秒光の超短パルスは光を放出する時間のわずか10億分の1程度です。誰もが知っているように、光の速度は秒速 300,000 キロメートル（1 秒で地球を 7 週間半周する）という比類のない速度ですが、1 フェムト秒の間に光は前方にわずか 0.3 ミクロンしか進みません。
通常、私たちは動いている物の一瞬の状態を切り取るためにフラッシュ撮影を使います。同様に、フェムト秒レーザーフラッシュを使用すると、猛烈な速度で進行している化学反応のすべての断片を確認することができます。このため、フェムト秒レーザーは化学反応の謎を研究するために使用できます。
一般に化学反応は、高エネルギーの中間状態、いわゆる「活性化状態」の後に起こります。活性化状態の存在は 1889 年に化学者アレニウスによって理論的に予測されましたが、非常に短時間に存在したため直接観察することはできませんでした。しかし、その存在は 1980 年代後半にフェムト秒レーザーによって直接実証され、これはフェムト秒レーザーによって確認された化学反応の一例です。たとえば、シクロペンタノン分子が一酸化炭素と活性化状態の 2 つのエチレン分子に分解されます。
現在、フェムト秒レーザーは物理学、化学、生命科学、医学、工学などの幅広い分野で利用されており、特に光とエレクトロニクスは密接に関連しており、あらゆる分野で新たな可能性を切り開くことが期待されています。通信、コンピュータ、エネルギーの分野。これは、光の強さによって大量の情報をほぼ損失なくある場所から別の場所に伝送できるため、光通信がさらに高速になるためです。核物理学の分野では、フェムト秒レーザーが大きな影響を与えています。パルス光は非常に強い電場を持っているため、1フェムト秒で電子を光速近くまで加速することができ、電子を加速する「アクセル」として使用できます。
医療用途
前述したように、フェムト秒の世界は光ですら遠くまで移動できないほど凍っていますが、この時間スケールでも物質の中の原子や分子、コンピューターチップ内の回路の中の電子は動き続けています。フェムト秒パルスを使用すると、パルスを即座に停止させ、何が起こっているかを調べることができます。時間を止めるフラッシュに加えて、フェムト秒レーザーは金属に直径 200 ナノメートル (1000 分の 2 ミリメートル) までの微細な穴を開けることができます。これは、圧縮されて短時間内部に閉じ込められた超短光パルスが、周囲の領域に追加の損傷を与えることなく驚くほど高い出力を得るということを意味します。さらに、フェムト秒レーザーからのパルス光により、被写体の極めて精細なステレオ画像を撮影することができます。立体写真は医療診断に非常に役立ち、光干渉断層撮影法と呼ばれる新しい研究分野を切り開きます。これは、フェムト秒レーザーを使用して生体組織や細胞の立体画像を撮影するものです。たとえば、非常に短い光パルスが皮膚に向けられ、パルス光は皮膚の表面で反射され、パルス光の一部は皮膚に向けられます。皮膚の内部は多くの層で構成されており、皮膚に照射されたパルス光は小さなパルスとして反射され、その整形されたパルス光が反射光にエコーすることから、皮膚の内部構造を知ることができます。皮膚。
また、この技術は眼科においても有用であり、目の奥の網膜の立体画像を撮影することが可能です。したがって、医師は組織に問題があるかどうかを診断できます。この検査は目だけではなく、光ファイバーでレーザーを体内に送れば、体内のさまざまな臓器の組織をすべて検査することができ、将来的には炎症を起こしているかどうかまで検査できるようになるかもしれません。癌性の。
超高精度な時計を実現
科学者らは、フェムト秒レーザーを搭載した時計が可視光を利用して作られれば、原子時計よりも正確に時間を計測できるようになり、数年後には世界で最も正確な時計となるだろうと考えている。時計が正確であれば、カーナビに使われるGPS（全地球測位システム）の精度も大幅に向上します。
なぜ可視光で正確な時計を作ることができるのでしょうか? すべての時計には振り子や歯車がありませんが、正確な周波数の振動で振り子の揺れによって歯車が秒単位で回転します。正確な時計も例外ではありません。したがって、より正確な時計を作るためには、より高い振動数の振り子を使用する必要があります。クォーツ時計 (振り子の代わりに水晶振動を使用する時計) は振り子時計よりも正確です。これは、水晶振動子の 1 秒あたりの振動数が多いためです。
現在時間の標準となっているセシウム原子時計の発振周波数は約9.2ギガヘルツ（国際単位ギガの語頭、1ギガ= 10^9）です。原子時計はセシウム原子の固有振動数を利用したもので、その振動数は振り子の代わりにマイクロ波と一致しており、その精度はわずか1秒の差で数千万年です。対照的に、可視光の発振周波数はマイクロ波発振周波数の 100000 から 100 万倍です。つまり、可視光を使用して原子時計よりも 100 万倍高い精度の精密時計を作成できます。現在、可視光を使用した世界で最も正確な時計が実験室で構築されることに成功しました。
この正確な時計の助けを借りて、アインシュタインの相対性理論を検証することができます。私たちは研究室にあるこのような正確な時計になり、もう1つは階下のオフィスにあり、起こり得る状況を考えてみましょう。1〜2時間後、2つの層は異なる「重力場」を持っているため、アインシュタインの相対性理論によって予測された結果が得られます。 2 つの時計の間はもはや同じ時間を指しません。階下の時計は上の階の時計よりも遅くなります。階下の時計は上の階の時計よりもゆっくりと進みます。もっと正確な時計があれば、手首と足首の時計ですら、その日の時刻が同じではなくなるかもしれません。正確な時計の助けを借りて、私たちは相対性理論の魅力を簡単に体験することができます。
光減速技術
1999年、米国ハバート大学のライナー・ハウ教授は、光を秒速17メートルまで減速することに成功した。この速度は車が追いつくことができ、その後は自転車でも追いつくことができる速度にまで減速した。この実験には物理学の最先端の研究が含まれており、本稿では実験成功の鍵を 2 つだけ示します。 1 つは、絶対零度 (-273.15 度) に近い極低温でのナトリウム原子の「雲」の構築であり、ボース・アインシュタイン凝縮として知られる特殊な気体状態です。もう1つは、振動の周波数を制御してナトリウム原子の雲に照射するレーザー（コントロールレーザー）で、その結果、信じられないことが起こります。
まず、制御レーザーの助けを借りて、パルス光が原子雲の中で圧縮され、極端な速度まで減速されました。その後、再び制御レーザーが照射され、パルス光が元に戻り、原子雲から出てきます。圧縮されたパルスは再び広がり、速度が回復します。パルス光情報を原子雲に入力するプロセス全体は、コンピューターでの読み取り、保存、リセットに似ているため、この技術は量子コンピューターの実装に役立ちます。
「フェムト秒」から「アト秒」の世界へ
フェムト秒はすでに私たちの想像を超えています。私たちは今、フェムト秒よりもさらに短い「アト秒」の世界に足を踏み入れています。 A は、国際単位系 (SI) の単語 atto の略語です。 1 アト秒=1 x 10^-18 秒=1 フェムト秒の 1000 分の 1。より短いパルスはより短い波長の光を使用して作成する必要があるため、アト秒パルスは可視光では作成できません。たとえば、赤色の可視光でパルスを作りたい場合、それより短い波長のパルスを作ることはできません。可視光は約2フェムト秒が限界であるため、アト秒パルスはX線やガンマ線のより短い波長で作られます。アト秒 X 線パルスを使用して将来何が見つかるかは明らかではありません。たとえば、アト秒インターフラッシュを使用して生体分子を視覚化すると、その活動を非常に短い時間スケールで観察し、おそらくは生体分子の構造を特定することができます。