Последние новости
Главная / Наука / Новая технология позволяет получить аттосекундные импульсы света при помощи обычного промышленного лазера

Новая технология позволяет получить аттосекундные импульсы света при помощи обычного промышленного лазера

Новая технология позволяет получить аттосекундные импульсы света при помощи обычного промышленного лазера

Группа исследователей из университета Центральной Флориды разработала новый метод, позволяющий получить импульсы света, длительность которых исчисляется аттосекундами, используя на входе свет, вырабатываемый обычным лазером промышленного назначения. Данное достижение открывает возможность производить фиксацию событий и делать измерения с аттосекундной точностью, что, в свою очередь, позволит ученым из самых разных областей науки изучать сверхбыстрые явления и процессы, такие, как движение электронов в атомах или молекулах в их естественных временных рамках.

«Одной из проблем областей науки, работающих с аттосекундными промежутками времени, заключается в том, что лишь несколько, около десятка лазеров во всем мире способны вырабатывать импульсы такой длительности» — рассказывает Майкл Чини (Michael Chini), один из исследователей, — «В основном это огромные дорогостоящие установки, возможностями которых могут пользоваться исследователи лишь из очень узкого круга лиц, имеющего доступ ко всему этому. Целью нашей работы является создание технологии, которая сделает использование аттосекундных импульсов более широкодоступным за счет использование самых обычных лазеров, стоимость которых не превышает 100 тысяч долларов».

Производство чрезвычайно коротких импульсов света, длительность которых сопоставима с длительностью одного колебания электромагнитной волны этого света, делается обычно при помощи импульсов света, вырабатываемых высококачественным лазером, которые пропускаются сквозь трубы, заполненные благородными газами, такими, как ксенон и аргон. За счет этого и без того уже достаточно короткие импульсы, насчитывающие около сотни циклов колебаний электромагнитной волны, сжимаются во времени.

В предложенный учеными из Флориды новый метод практически не отличается от описанного выше за исключением того, что трубы, через которые проходят импульсы света, заполняются не благородными (инертными) газами, а молекулярными газами, такими, как окись азота, имеющими линейные оптические свойства. Полученный учеными эффект сокращения длительности импульса возникает за счет того, что молекулы газа, имеющие собственную электрическую поляризацию, под воздействием электрического поля импульса света успевают выровняться и превращаются в своего рода линейный резонатор.

При помощи первой экспериментальной установки ученым удалось добиться сокращения длительности исходного импульса, которая варьировалась в диапазоне от 100 до 1000 циклов, до длительности в 1.6 длительности цикла электромагнитной волны. В этом методе ключевыми моментами являются выбор молекулярного газа-наполнителя, частота и длительность исходных импульсов света. При правильно подобранных параметрах, в которых обязательно учитывается инерционность молекул газа, новый метод сможет обеспечить сокращение длительности импульса до времени одного колебания электромагнитной волны исходного импульса света.

Смотрите также

Пространственно-временные волновые пакеты: Свет нового класса лазера бросает вызов фундаментальным законам физики

Пространственно-временные волновые пакеты: Свет нового класса лазера бросает вызов фундаментальным законам физики

Ученым удалось создать лазер совершенно нового класса, луч света которого не подчиняется некоторым фундаментальным законам физики и оптики. Лучи света этого лазера, которые ученые окрестили термином «пространственно-временные волновые пакеты» (spacetime wave packets), подчиняются каким-то особым правилам отражения и преломления. И эти новые правила можно будет в будущем поставить на службу людям в области коммуникационных технологий в первую очередь.

Из школьного учебника физики нам известно, что свет движется с различной скоростью в среде различных материалов. И чем больше плотность материала, через который проходит свет, тем с меньшей скоростью он, свет, движется в объеме этого материала. Наглядной демонстрацией этого принципа, который называется законом Снеллиуса, является ложка, опущенная в стакан с водой. За счет разницы между плотностями воздуха и воды кажется, что ложка «сломана» на границе контакта воздуха и воды.

Однако, лучи света нового лазера полностью игнорируют закон Снеллиуса. Более того, эти лучи не подчиняются второму из фундаментальных законов — принципу Ферма, который определяет, что свет всегда распространяется по самому короткому пути.

«Лучи пространственно-временных волновых пакетов могут быть настроены так, что они не изменят свою скорость или даже аномально ускорятся, проходя из менее плотного материала в более плотный материал» — пишут исследователи — «При помощи этого явления можно будет сделать так, что два импульса, излученные в разные моменты времени, окажутся в одной точке пространства одновременно, или так, что излученные в один момент импульсы окажутся в двух различных точках пространства одновременно».

Такие возможности, которые открывает нам использование пространственно-временных волновых пакетов, может иметь очень серьезные последствия для телекоммуникационной области. Ученые приводят в качестве примера синхронную отсылку сообщений с самолета на две субмарины, находящиеся на одной глубине, но на разном удалении от самолета.

С первого взгляда может показаться, что технология пространственно-временных волновых пакетов противоречит ряду ключевых законов классической физики, но ученые утверждают, что на самом деле все происходит в полном соответствии со Специальной теорией относительности. Ведь данная технология не оперирует собственно колебаниями электромагнитных волн фотонов света, а контролирует скорость, с которой движутся максимумы колебаний волн света. И делается это при помощи устройства, называемого пространственным оптическим модулятором, который реорганизовывает энергию каждого импульса света, «переплетая» его некоторые свойства в пространстве и времени.

«Пространственно-временное преломление света ломает многие из известных нам законов и принципов» — пишут исследователи, — «Но в качестве компенсации этого оно, это явление, дает нам массу новых возможностей для управления распространением света и некоторых его свойств».

Пространственно-временные волновые пакеты: Свет нового класса лазера бросает вызов фундаментальным законам физики

Ученым удалось создать лазер совершенно нового класса, луч света которого не подчиняется некоторым фундаментальным законам физики и оптики. Лучи света этого лазера, которые ученые окрестили термином «пространственно-временные волновые пакеты» (spacetime wave packets), подчиняются каким-то особым правилам отражения и преломления. И эти новые правила можно будет в будущем поставить на службу людям в области коммуникационных технологий в первую очередь.

Из школьного учебника физики нам известно, что свет движется с различной скоростью в среде различных материалов. И чем больше плотность материала, через который проходит свет, тем с меньшей скоростью он, свет, движется в объеме этого материала. Наглядной демонстрацией этого принципа, который называется законом Снеллиуса, является ложка, опущенная в стакан с водой. За счет разницы между плотностями воздуха и воды кажется, что ложка «сломана» на границе контакта воздуха и воды.

Однако, лучи света нового лазера полностью игнорируют закон Снеллиуса. Более того, эти лучи не подчиняются второму из фундаментальных законов — принципу Ферма, который определяет, что свет всегда распространяется по самому короткому пути.

«Лучи пространственно-временных волновых пакетов могут быть настроены так, что они не изменят свою скорость или даже аномально ускорятся, проходя из менее плотного материала в более плотный материал» — пишут исследователи — «При помощи этого явления можно будет сделать так, что два импульса, излученные в разные моменты времени, окажутся в одной точке пространства одновременно, или так, что излученные в один момент импульсы окажутся в двух различных точках пространства одновременно».

Такие возможности, которые открывает нам использование пространственно-временных волновых пакетов, может иметь очень серьезные последствия для телекоммуникационной области. Ученые приводят в качестве примера синхронную отсылку сообщений с самолета на две субмарины, находящиеся на одной глубине, но на разном удалении от самолета.

С первого взгляда может показаться, что технология пространственно-временных волновых пакетов противоречит ряду ключевых законов классической физики, но ученые утверждают, что на самом деле все происходит в полном соответствии со Специальной теорией относительности. Ведь данная технология не оперирует собственно колебаниями электромагнитных волн фотонов света, а контролирует скорость, с которой движутся максимумы колебаний волн света. И делается это при помощи устройства, называемого пространственным оптическим модулятором, который реорганизовывает энергию каждого импульса света, «переплетая» его некоторые свойства в пространстве и времени.

«Пространственно-временное преломление света ломает многие из известных нам законов и принципов» — пишут исследователи, — «Но в качестве компенсации этого оно, это явление, дает нам массу новых возможностей для управления распространением света и некоторых его свойств».

Cоздан самый яркий из существующих флуоресцентных материалов

Cоздан самый яркий из существующих флуоресцентных материалов

Группа ученых из университета Индианы, США, и Копенгагенского университета, Дания, преодолев несколько серьезных проблем, разработала технологию производства того, что можно назвать самым ярким флуоресцентным материалом на сегодняшний день. Более того, этот новый материал может эффективно выступать в роли наполнителя для красок и полимерных материалов, открывая возможности для создания элементов солнечных батарей следующего поколения, лазеров и многого другого.

Главная из проблем, которые были упомянуты в первом абзаце, заключается во взаимном влиянии флуоресцентных частиц, которые помещаются внутрь твердого тела или жидкого состава. Эти частицы располагаются хаотически, и большинство переизлучаемых ими фотонов света поглощается частицами, расположенными в непосредственной близости. Более того, если частицы касаются друг друга, то часть энергии поглощенного фотона света отбирается другой частицей. И все это, в свою очередь, снижает уровень флуоресценции, другими словами, краски и твердые материалы выглядят более тускло, чем они могли быть при «правильном» расположении частиц красителя.

Решением этой проблемы стали специальные макроциклические молекулы, имеющие форму звезды, которые не дают соприкасаться и взаимодействовать молекулам флуоресцентного вещества. Состав из этих макро-звезд был подмешан в краситель, и после этого в растворе образовались так называемые ионные изоляционные решетки. Эти решетки могут быть выращены в виде кристаллов, высушены и размолоты в порошки, которые, в свою очередь, могут быть нанесены тонким слоем на поверхности или включены в состав прозрачных полимерных материалов, придавая им соответствующий цвет.

Cоздан самый яркий из существующих флуоресцентных материалов

В новой технологии есть некоторые особенности. Ранее ученые уже пытались использовать макроциклические молекулы для подобной цели, но в этих попытках ученые использовали цветные молекулы. Сейчас же ученые использовали бесцветные версии таких молекул, что позволило частицам флуоресцентного красителя работать «на полную мощность» за счет наличия свободного пространства между ними.

У новых сверхярких материалов, по мнению ученых, имеется масса областей применения, включая сбор солнечной энергии, лазеры, технологии отображения информации, материалы с «переключаемыми» оптическими свойствами и т.п. И в ближайшем времени ученые планируют продолжить работу над новыми материалами с целью адаптации их производства под условия, специфичные для каждой конкретной области применения.

«Пока мы еще не знаем всех пределов возможностей этих материалов, которые относятся к совершенно новому классу» — пишут исследователи, — «В ближайшее время мы проведем некоторые исследования, которые принесут нам понимание того, как на самом деле работают эти материалы. После чего мы станем способны управлять их свойствами еще на этапе проектирования производства других вещей, в состав которых будут входить наши сверхяркие материалы».

Cоздан самый яркий из существующих флуоресцентных материалов

Группа ученых из университета Индианы, США, и Копенгагенского университета, Дания, преодолев несколько серьезных проблем, разработала технологию производства того, что можно назвать самым ярким флуоресцентным материалом на сегодняшний день. Более того, этот новый материал может эффективно выступать в роли наполнителя для красок и полимерных материалов, открывая возможности для создания элементов солнечных батарей следующего поколения, лазеров и многого другого.

Главная из проблем, которые были упомянуты в первом абзаце, заключается во взаимном влиянии флуоресцентных частиц, которые помещаются внутрь твердого тела или жидкого состава. Эти частицы располагаются хаотически, и большинство переизлучаемых ими фотонов света поглощается частицами, расположенными в непосредственной близости. Более того, если частицы касаются друг друга, то часть энергии поглощенного фотона света отбирается другой частицей. И все это, в свою очередь, снижает уровень флуоресценции, другими словами, краски и твердые материалы выглядят более тускло, чем они могли быть при «правильном» расположении частиц красителя.

Решением этой проблемы стали специальные макроциклические молекулы, имеющие форму звезды, которые не дают соприкасаться и взаимодействовать молекулам флуоресцентного вещества. Состав из этих макро-звезд был подмешан в краситель, и после этого в растворе образовались так называемые ионные изоляционные решетки. Эти решетки могут быть выращены в виде кристаллов, высушены и размолоты в порошки, которые, в свою очередь, могут быть нанесены тонким слоем на поверхности или включены в состав прозрачных полимерных материалов, придавая им соответствующий цвет.

Cоздан самый яркий из существующих флуоресцентных материалов

В новой технологии есть некоторые особенности. Ранее ученые уже пытались использовать макроциклические молекулы для подобной цели, но в этих попытках ученые использовали цветные молекулы. Сейчас же ученые использовали бесцветные версии таких молекул, что позволило частицам флуоресцентного красителя работать «на полную мощность» за счет наличия свободного пространства между ними.

У новых сверхярких материалов, по мнению ученых, имеется масса областей применения, включая сбор солнечной энергии, лазеры, технологии отображения информации, материалы с «переключаемыми» оптическими свойствами и т.п. И в ближайшем времени ученые планируют продолжить работу над новыми материалами с целью адаптации их производства под условия, специфичные для каждой конкретной области применения.

«Пока мы еще не знаем всех пределов возможностей этих материалов, которые относятся к совершенно новому классу» — пишут исследователи, — «В ближайшее время мы проведем некоторые исследования, которые принесут нам понимание того, как на самом деле работают эти материалы. После чего мы станем способны управлять их свойствами еще на этапе проектирования производства других вещей, в состав которых будут входить наши сверхяркие материалы».

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *