Et Besøg til En af de Mest Kraftfulde Lasere på Jorden

En miniature laser -, plasma-accelerator, der drives af BELLA ‘ s laser puls. Forskerne håber, at en maskine som denne, en dag kan hjælpe til behandling af kræft eller formindske størrelsen af nutidens største fysik eksperimenter.Foto: Roy Kaltschmidt

BERKELEY, CALIFORNIEN—Den dette års vindere af Nobelprisen i Fysik ikke bare gøre opdagelser. Deres revolutionære arbejde viste kraftfulde lasere til allestedsnærværende lab værktøjer. Dagen for den meddelelse, der tidligere i denne måned, havde jeg allerede planlagt at besøge tennisbane størrelse Berkeley Lab Laser Speederen, eller BELLA, som bruger en af Nobel-vindende metoder til at skabe en af de mest kraftfulde laser pulser på Jorden.

Donna Strickland, Gérard Mourou, og Arthur Ashkin delt dette års Nobelpris i Fysik for fremskridt i laser-teknologi. Det var den første physics prize har en kvindelige skuespiller i over 50 år—Strickland er kun tredje kvindelige fysik vinderen i historien. BELLA og andre high-power lasere anvende den teknik, der er udviklet af Strickland og Mourou, kaldet kvidrede puls forstærkning, til at skabe deres utroligt laser pulser. Disse enheder kan man dagen magt bordplade partikel acceleratorer til medicinsk brug, fungerer som mikroskoper til billede atomer, og skubbe grænserne for fysik yderligere.

“Når jeg så taler med folk, der opbygger disse lasere og den forskning, som er udført af disse lasere, tænkte jeg: wow, det er ufatteligt, at jeg kunne have gjort noget, som ændret sig inden for videnskab,” Strickland, en professor ved University of Waterloo, fortalte Gizmodo i et interview.

Lyskilder sender lyset i alle retninger og med forskellige bølgelængder, men lasere skabe intense stråler af lys, med fotoner—de mindste enheder i lyset, hvis de elektromagnetiske felter, der alle er synkroniserede. Lasere funktion ved hjælp af en proces, der kaldes stimuleret emission.

Normalt, atomer absorberer stråling i form af fotoner, som gør, at deres elektroner til at hoppe til højere energiniveauer, så spontant fald til lavere stater og udsender fotoner—det er “spontan emission.” Men hvis du lægger nok af elektroner i et medium i exciterede tilstande, så nye fotoner vil få elektroner til at falde til et lavere energitilstand og udsender fotoner uden at absorbere dem. I dette tilfælde, en korrekt tunet foton med en bestemt bølgelængde, fase, og retning, inducerer den exciterede elektroner udsender fotoner med samme egenskaber. Moderne lasere består af en input energikilde til at vække de elektroner, der er holdt i et medium, som en krystal. Krystallet sidder mellem to spejle, et, som kun er delvist reflekterer lyset. Lyset hoppende mellem spejle fortsætter stimuleret emission, hvilket resulterer i en enkelt farve stråle af lys, der forlader enheden, gennem den delvise spejl—en laser.

Før opfindelsen af kvidrede puls forstærkning, der syntes at være en grænse for en laser-puls intensitet. Øget magt kan ændre laser mediets optiske egenskaber, som kan forvride stråle eller endog skade medium. Dette blev et stort problem, der bremset udviklingen af laser-videnskab og krævede at bygge tykke lasere—indtil Strickland og Mourou kom sammen.

Strickland og Mourou løst problemet med kvidrede puls forstærkning for lasere i 1980’erne. Processen begynder med en kort laser puls. Pulsen hopper igennem et par riste, der gør det længere. Det riste fungere som en prisme, der forårsager forskellige farver til at tage stier af forskellig længde. Da magten er blot energi, der leveres over tid, strækning lyset falder dens magt, og gør det muligt at blive forstærket, uden at skade laser medium. Endelig forstærkes puls passerer gennem en kompressor, som presser det ind i en kortere blip—en kraftigere puls. Den metode, der gav forskere adgang til kraftfulde laser pulser, der kunne sidde på en bordplade, og høj-effekt laser-puls værktøjer som BELLA mere realistisk.

Hvordan fungerer en af disse laser pulser adskiller sig fra, sige, en fælles laser pointer? Hvis du har åbnet lukkeren for en store-købte laser til en anden, puls, hvis uafbrudt, ville strække sig over tre-fjerdedele af længden herfra og til Månen, før du lukker det ud, Strickland forklaret. Lasere er forstærket gennem pippe puls forstærkning kunne pakke samme antal fotoner i en puls tykkelsen af et stykke papir. “Når du klemme det hele sammen, får du en enorm antallet af fotoner,” sagde hun. Ja, hvis din hånd var i vejen for sådan en stråle, der kunne få en grim brænde. En særlig stærk fokuseret laser puls kan selv knuse safir.

BELLA er kvidrede puls forstærkning på steroider. Det begynder med en strålende medium—et syntetisk safir krystal, der er tilsat titanium atomer. Strålen passerer gennem den næste del, båre, som spreder pulsen ude i god tid. En række mindre lasere aktivere mere titanium-doteret safir krystaller, tilføre energi til strakt puls, som den bevæger sig gennem seks forstærkere. I den anden ende er kompressoren, og endelig et spejl til at fokusere strålen, før den ledes ind i eksperimentet.

BELLA packs 40 joule energi, et par gange den energi, som i et kamera, flash, i en infrarød puls varig bare 40 femtosekunder, hvilket er noget, som en billion gange hurtigere end en enkelt flap af en bi fløj. BELLA direktør Wim Leemans ikke var villig til at spekulere hvad der ville ske, hvis denne laser puls ramt dig, men det er sikkert at sige, at du ville blive alvorligt såret eller endda dræbt.

Lasere som disse har masser af ansøgninger, fra industri til medicinsk forskning. Men Mourou og andre har indset, at disse high-power lasere kan tjene som en helt ny måde at accelerere partikler til høje energier, og det er det, BELLA er brugt til at studere. Forskere drøm, at en dag, disse laser -, plasma-acceleratorer kunne skrumpe partikelfysik eksperimenter til det punkt, at de ikke længere kræver enorme infrastrukturprojekter som Large Hadron Collider i Schweiz. Laser -, plasma-acceleratorer, der måske en dag vil blive vist i dagligdags sammenhænge, hvor partikler, der anvendes til at målrette og nedbryde tumorer som en kræftbehandling. Nobel-komité, der er nævnt i både laser -, plasma-acceleration og BELLA i deres videnskabelige baggrund af 2018 præmie.

Da han gik mig gennem en bundløs gangen dokumentere historien af partikelacceleratorer på Berkeley National Lab, Leemans afslørede en lille blok, på størrelse med en halv pind af smør. BELLA ‘ s laser puls passerer gennem et plasma, der er gemt i et rør ætset ind i denne lille enhed, accelererer elektroner i plasma til næsten energierne af nogle af verdens højeste energi elektron-acceleratorer.

Der er masser af sløjfer til at arbejde ud før en bordplade, laser-drevet partikel-accelerator kunne gøre noget som behandling af kræft, herunder at øge, hvor ofte enheden kan levere pulser. Endnu en partikel accelerator til behandling af kræft ville ikke have en laser så stor som BELLA. Efter alt, kvidrede puls forstærkning, er tilladt for bordplade størrelse terawatt laser pulser. Teoretisk set, kunne bringe sådan en kræft behandling til alle, uden at forpligte dem til at besøge et hospital. “Du kunne sætte hele systemet på en lastbil,” Leemans sagde.

Når vi siger, at Strickland og Mourou arbejde forvandlet området—vi mener det. Selvom BELLA gang holdt rekorden for verdens mest kraftfulde laser puls, andre laboratorier har siden da taget sin plads, med ambitiøse mål som “at bryde vakuum,” eller klemme energi nok i en region til at skabe partikler ud af det tomme rum, noget der er aldrig blevet gjort før. Helt ny forskning har begyndt takket være denne laser gennembrud. “Det er bemærkelsesværdigt,” Strickland sagde. “Er der pulser, er kortere, den energi, der er højere. Det har ændret alt.”

Dele Denne Historie