Ekstremt lys

Gennem seks årtier, videnskabsmænd og ingeniører har forvandlet det korteste laserlysglimt til ultrahurtige pulser, der giver et kraftigt slag. Rebecca Pool fra ESCI taler med nobelpristageren, Professor Gerard Mourou, at finde ud af mere.

Da amerikansk fysiker, Theodore Maiman, observerede det første dybrøde lysglimt fra den rubinlaser, han havde bygget, han var nok ikke klar over, at han lige havde ændret verden. Det var maj 1960:Ved udgangen af ​​året, hans opsætning ville blive replikeret i mange laboratorier, og i de kommende årtier, lasere vil blive brugt i telekommunikation, materialebehandling, øjenoperation og meget mere. Maimans første enkle og elegante apparat var baseret på laserkoncepter, der havde studset rundt i forskningsverdenen i et stykke tid. Allerede i 1917 Albert Einstein havde fundet ud af, at elektroner i atomer kunne ophidses til at udsende kaskader af fotoner, i en proces kendt som stimuleret emission.

I 1950'erne, USA-baserede laserpionerer, Charles Townes fra Bell Labs, og Arthur Schawlow fra Columbia University, havde udviklet 'masere', enheder, der ligner lasere, men som producerer mikrobølger og radiobølger i stedet for synligt lys. Og ved udgangen af ​​dette årti, Schawlow, Townes og andre fysikere havde travlt med at designe optiske versioner af maseren, snart døbt 'laser'. Men det var Maiman, der faktisk producerede den første fungerende laser. Laser er et akronym for "lysforstærkning ved stimuleret emission af stråling." For at realisere denne effekt, Maiman byggede en enhed, der omfattede en kort, rubinstang med en forsølvet ende og en delvist forsølvet ende med et lille hul.

Stangen blev placeret i et lyst, spiralformet, xenon lommelygte, som Maiman brugte til intenst at belyse og stimulere rubinens elektroner til at udsende fotoner. Disse fotoner kunne så hoppe frem og tilbage mellem stangens endespejle, spændende flere elektroner til at udsende fotoner, indtil fotonerne ville flygte fra stangen som en kortslutning, tæt pakket udbrud af sammenhængende laserlys. Maimans rubinlaser udsendte dybe røde pulser af laserlys, men snart, laserfysikere ville bruge andre faste stoffer, samt gasser, flydende farvestoffer, ioner, metaldampe og til sidst halvledere til at producere pulser og kontinuerlige stråler af laserlys.

I begyndelsen af ​​1960'erne, lasere dukkede allerede op på det kommercielle marked via virksomheder som Perkin-Elmer og Spectra-Physics. Og vigtigst af alt blev anordningerne allerede brugt til at ødelægge nethindetumorer, svejs fjedre til ure med mere. Potentialet for lasere gik ikke tabt på den daværende laserfysiker, Gerard Mourou, der læste til sin ph.d. i Paris VI i 1973. Som han siger til ESCI:"Da jeg startede min Ph.D., min vejleder havde lige duplikeret Maiman-laseren i sit laboratorium. Jeg var så meget interesseret i dette... og også meget begejstret over dets nye applikationer, " tilføjer han.

I begyndelsen af ​​1970'erne, laser mode-locking var blevet opfundet, gør det muligt at producere en gentagende strøm af intense og korte laserimpulser. Vigtigt, disse korte impulser betød, at forskere nu kunne studere fysiske og kemiske reaktioner som aldrig før. Som Mourou påpeger:"Jeg ønskede at studere, hvordan atomer, molekyler og meget små genstande flyttede, så forsøgte man at producere meget korte impulser fra lasere."

Imidlertid, laserfysikken havde nået en vejspærring. Denne udvikling af korte, laserimpulser var ikke blevet ledsaget af en stor stigning i energi pr. impuls, eller spidseffekt. Mens den lille, nanojoule-impulser fra disse kortpulsede, mode-låste lasere kunne forstærkes en million gange til millijoule niveau, enhver større forstærkning ødelagde forstærkeren og laserkomponenterne. Forskere kunne producere højere energilasere uden skaden ved at øge laserstrålens diameter, men sådan et set-up krævede massive laserinstallationer, som kun de nationale forskningsinstitutter havde råd til.

Men Mourou havde en løsning:kvidrende pulsforstærkning. Arbejde med sin elev, Donna Strickland, han udtænkte en proces til at strække den korte laserpuls i tid, ved hjælp af et diffraktionsgitter, for at reducere dens spidseffekt. Dette mindre kraftige lys kunne derefter sikkert forstærkes til højere energier uden at beskadige laserkomponenterne og derefter komprimeres til dets oprindelige varighed med et yderligere gitter. Slutresultatet var en kraftig puls og ingen laserskader. I 1985, Mourou og Strickland havde produceret en betagende kort, to picosekunders puls med relativt beskedne 1 millijoule energi. De genererede snart en endnu kortere et picosekunds puls, at ved 1 joule, havde 1000 gange mere energi. Chirped puls forstærkning blev godt og grundigt demonstreret, og årtier senere ville de modtage 2018 Nobelprisen i fysik for deres opfindelse.

Siden dens udvikling, chirped puls forstærkning er blevet standarden i alle højintensive lasere, og Mourou har brugt teknikken til at udvikle kortere og kortere laserimpulser med større energier og stadig højere spidseffekter. Ultrakort, intense laserimpulser er blevet skabt i laboratorier verden over, giver forskere mulighed for at tage billeder af processer på et splitsekund på molekylært niveau, og studere ufatteligt hurtige begivenheder, herunder fotosyntese og elektronbevægelse i atomer og molekyler.

Ja, fysikere fra universitetet i München registrerede for nylig en elektron, der undslap fra et heliumatom, en begivenhed, der finder sted på et enkelt zeptosekund, eller en billiontedel af en milliardtedel af et sekund. "Din kameraudløser fungerer på et millisekund, men disse korte laserimpulser måles nu i [mindst] en milliontedel af en milliardtedel af et sekund, " siger Mourou. "Med sådanne ultrahøjintensitetslasere kan vi studere subatomær fysik, inklusive kernen, og jeg er også meget begejstret for at studere de uendeligt små energiudsving i et vakuum."

Men ud over at fange ufatteligt hurtigt, atomare og subatomare begivenheder, Laserens høje intensitet er også blevet udnyttet til præcist at skære eller bore funktioner i en betagende række af biologiske og menneskeskabte materialer. For eksempel, kvidrende pulsforstærkning har længe været brugt i øjenkirurgi for at åbne linsen uden at beskadige omgivende væv, og også at kauterisere blodkar.

Metoden er også meget brugt til at ætse gruber i optiske diske, til datalagring, bearbejde dækglasset, der bruges i mobiltelefoner, og mønstre overfladerne på præcisionsdele til batterier, implantater og meget mere.

Ja, Dr. Santiago Miguel Olaizola, fra Centro de Estudios e Investigaciones Técnicas (CEIT) i Baskerlandet, Spanien, har udnyttet ultrakorte pulslasere til at udvikle processer til at definere sådanne mønstre og teksturer - kendt som laserinducerede periodiske overfladestrukturer (LIPSS) - på præcise steder på overflader. Som en nøglepartner i det europæiske projekt, Laser4surf, Olaizola, sammen med kolleger, har til hensigt at udvikle et system til at bringe LIPSS til masseproduktion. "Ultrahurtig laserteknologi til avanceret fremstilling har modnet meget hurtigt i de sidste femten år, og har bevæget sig fra laboratoriet til fabrikker og virksomheder, " siger han. "Men vi vil nu gerne udvikle og integrere processerne yderligere, så vi kan skabe disse små overfladestrukturer meget hurtigt og med lethed."

"Alt-i-én-instrumentet" vil omfatte tre nøglefunktioner; et optisk modul, overvågningsenhed og softwareplatform. Det optiske modul repræsenterer systemets hjerte og vil styre laserparametrene såsom lasereffekt, stråleprofil og bølgelængde. I mellemtiden in-line overvågningsenheden vil overvåge egenskaberne af overflademønstrene, efterhånden som de skabes. Og den nye softwareplatform vil give industrielle brugere mulighed for at vælge procesparametre i henhold til det materiale, der skal mønstres.

"Med overvågningsenheden, vi vil være i stand til at spore eventuelle uventede ændringer for at finde ud af, om sige, der er sket noget med laseren, " forklarer Olaizola. "Og softwareværktøjerne vil give brugeren mulighed for at vælge, for eksempel, dybden af ​​overfladestrukturerne og juster instrumentet for at indstille laserparametrene til dette, uden at skulle dybt forstå processen."

En prototype er nu planlagt til begyndelsen af ​​2020, og vil blive brugt til at skabe LIPSS i avancerede batterier, tandimplantater og de lineære indkodere, der giver positionsfeedback i værktøjsmaskiner og automationssystemer. "Vi ønskede at demonstrere systemet på en kombination af forskellige teknologier, " fremhæver Olaizola. "Batterier er i høj efterspørgsel og masseproducerede, tandimplantater er en vigtig social applikation, og lineære indkodere har brug for meget præcis bearbejdning."

Ifølge Olaizola, Laser4Surf-prototypen vil i første omgang stole på lavenergi, ultrakorte pulserende lasere, der ikke bruger Mourou og Stricklands kvidrede pulsforstærkning. Men på et senere tidspunkt, dette vil ændre sig. "Chirped puls forstærkning giver dig mulighed for at have mere energi i hver laserpuls, som muliggør hurtigere behandling af materialer, " siger han. "Hastighed bliver så vigtig i fremtidige LIPSS-applikationer; når først masseproduktion er etableret, bliver vi bare nødt til at fremstille produkter hurtigere og hurtigere."