Et Besøk til En av de Mest Kraftige Lasere på Jorden

En miniatyr laser-plasma-akselerator drevet av BELLA laser puls. Forskere håper på en maskin som dette en dag vil kunne hjelpe til å behandle kreft eller krympe størrelsen på dagens største fysikk-eksperimenter.Foto: Roy Kaltschmidt

BERKELEY, CALIFORNIA—vinnerne av årets Nobel-Prisen i Fysikk ikke bare gjøre funn. Deres revolusjonerende arbeid slått kraftige lasere i allestedsnærværende lab verktøy. Den dag kunngjøringen tidligere denne måneden, hadde jeg allerede planlagt å besøke tennis-court størrelse Berkeley Lab Laser Accelerator, eller BELLA, som bruker en av Nobelpris-vinnende metoder for å skape en av de mektigste laser pulser på Jorden.

Donna Strickland, Gérard Mourou, og Arthur Ashkin felles årets Nobel-Prisen i Fysikk for fremskritt i laser-teknologi. Det var den første fysikk premien som har en kvinnelig vinner i over 50 år—Strickland er bare den tredje kvinnelige fysikk vinner i historien. BELLA og andre high-power lasere benytter teknikken utviklet av Strickland og Mourou, kalt chirped puls forsterkning, til å lage sine utrolige laser pulser. Disse enhetene kan en dag power bordplate partikkel akseleratorer for medisinsk bruk, fungere som mikroskoper til bilde atomer, og presse grensene for fysikk enda lenger.

“Når jeg så taler av mennesker bygge disse lasere og vitenskap gjort ved disse lasere, jeg tenkte, wow, dette er ufattelige som jeg kunne ha gjort noe som endret et felt av vitenskap”, Strickland, en professor ved University of Waterloo, fortalte Gizmodo i et intervju.

Lyspærer sender lys i alle retninger med forskjellige bølgelengder, men lasere skape intens stråler av lys, med fotoner—de minste enheter av lys som elektromagnetiske felt er alle synkroniserte. Lasere fungerer ved hjelp av en prosess kalt stimulert emisjon.

Normalt, atomer absorberer stråling i form av fotoner, som gjør at deres elektroner hoppe til høyere energi stater, så spontant fall til lavere stater og avgir fotoner—det er “spontan emisjon.” Men hvis du legger nok av elektroner i et medium inn spent usa, så new fotoner vil føre til at elektroner til å falle til et lavere energi tilstand og avgir fotoner uten å absorbere dem. I dette tilfellet, en riktig innstilt foton med en gitt bølgelengde, fase og retning induserer spent elektroner til å sende ut fotoner med samme egenskaper. Moderne lasere består av en inngang energikilde til å eksitere elektroner, som er holdt i et medium, som en krystall. Crystal ligger mellom to speil, en som bare delvis reflekterer lyset. Lyset spretter mellom speil fortsetter stimulert emisjon, noe som resulterer i en enkelt farge lysstråle som går ut av enheten gjennom delvis speil—en laser.

Før til oppfinnelsen av chirped puls forsterkning, ser det ut til å være en grense for en laser puls intensitet. Økt kraft kan endre laser middels optiske egenskaper, som kan forvrenge bredde eller skade medium. Dette ble et stort problem som bremset utviklingen av laser vitenskap og nødvendig å bygge store lasere—til Strickland og Mourou kom.

Strickland og Mourou løst problemet med chirped puls forsterkning for lasere på 1980-tallet. Prosessen starter med en kort laser puls. Pulsen går gjennom et par av gratings, som gjør det lenger. Den gratings fungere som et prisme, forårsaker forskjellige farger for å ta stier av ulik lengde. Siden strøm er bare levert energi over tid, strekker lys reduserer sin makt, og lar det bli forsterket uten å skade laseren medium. Til slutt, forsterket puls går gjennom en kompressor, som klemmer den i en kortere blip—en mer kraftig puls. Metoden ga forskere tilgang til kraftige laser pulser som kan sitte på en bordplate, og laget high-power laser-puls-verktøy som BELLA mer gjennomførbart.

Hvordan gjør en av disse laser pulser forskjellige fra, si, en vanlig laser pointer? Hvis du åpnet lukkeren på en butikk-kjøpte laser for ett sekund, puls, hvis uavbrutt, ville span tre fjerdedeler av lengden herfra til Månen før du slår det av, Strickland forklart. Lasere forsterket gjennom kvitre puls forsterkning kunne pakke samme antall fotoner inn en puls tykkelsen på et stykke papir. “Når du klemmer den sammen, får du en enorm antall fotoner,” sa hun. Ja, hvis din hånd var i veien for en slik bredde, det kan bli en ekkel brenne. Et spesielt sterkt fokusert laser puls kan også knuses safir.

BELLA er chirped puls forsterkning på steroider. Det begynner med en lasing medium—et syntetisk safir krystall med tilsatt titanium atomer. Strålen passerer gjennom de neste del, båre, som sprer seg i pulsen ut i tid. En rekke mindre lasere aktivere mer titanium-dopet safir krystaller, å tilføre energi til strukket puls som går gjennom seks forsterkere. I den andre enden er kompressoren, og til slutt et speil for å fokusere bredde før passerer det i eksperimentet.

BELLA pakker 40 joule av energi, noen ganger energien i et kamera, flash, inn i en infrarød puls varer bare 40 femtoseconds, som er noe sånt som en trillion ganger raskere enn en eneste flik av en bie vingen. BELLA regissøren Wim Leemans ikke var villig til å spekulere i hva som ville skje hvis denne laser puls treffer deg, men det er trygt å si at du ville bli alvorlig skadet eller drept.

Lasere som disse har mange bruksområder, fra industri til medisinsk forskning. Men Mourou og andre har innsett at disse high-power lasere kan tjene som en helt ny måte å akselerere partikler med høy energi, og det er det BELLA er brukt til å studere. Forskere drøm om at en dag, disse laser-plasma hurtigvalg kan krympe partikkel fysikk-eksperimenter til det punktet at de ikke lenger krever enorme infrastruktur prosjekter som Large Hadron Collider i Sveits. Laser-plasma hurtigvalg kan en dag vises i dagligdagse sammenhenger, hvor partiklene brukes til å målrette og bryte ned svulster som en kreft. Nobelkomiteen nevnt både laser-plasma akselerasjon og BELLA i sin vitenskapelige bakgrunn av 2018 premie.

Da han gikk jeg gjennom en gigantisk gangen dokumenterer historien til partikkel hurtigvalg ved Berkeley National Lab, Leemans avslørt en liten blokk, omtrent på størrelse med en halv pinne smør. BELLA laser puls går gjennom en plasma som er lagret i et rør etset inn i det lille enheten, akselerere elektroner i plasma til nesten energier på noen av verdens høyeste-energi elektron akseleratorer.

Det er nok av knekk til å trene før en bordplate, laser-drevet partikkel-akselerator kunne gjøre noe som behandler kreft, inkludert å øke hvor ofte enheten kan levere pulser. Ennå en partikkel-akselerator for kreft ville ikke trenger en laser så stor som BELLA. Tross alt, chirped puls forsterkning har tillatt for tabletop-størrelse terawatt laser pulser. I teorien, dette kan gi en slik kreft til noen, uten å kreve dem til å besøke et sykehus. “Du kunne sette hele systemet på en lastebil,” Leemans sa.

Når vi sier at Strickland og Mourou arbeid forvandlet feltet—vi mener det. Selv om BELLA gang holdt rekorden for verdens mektigste laser puls, andre laboratorier har siden tatt sin plass, med ambisiøse mål som “å bryte vakuumet,” eller klemme nok energi til en region for å generere partikler ut av tomrom, noe som aldri har blitt gjort før. Helt nye forskningsområder har begynt takket være denne laser gjennombrudd. “Det er imponerende,” Strickland sa. “Pulser er kortere, energien er høyere. Det forandret alt.”

Deler Denne Historien