Ein Besuch zu Einer der leistungsstärksten Laser auf die Erde

Ein Miniatur-laser-plasma accelerator powered by BELLA ‘ s laser-Puls. Die Wissenschaftler hoffen, dass eine Maschine wie diese könnten eines Tages helfen, Krebs zu behandeln oder schrumpfen Sie die Größe der derzeit größten Physik-Experimenten.Foto: Roy Kaltschmidt

BERKELEY, KALIFORNIEN,Die Gewinner des diesjährigen Nobelpreis für Physik hat nicht nur Entdeckungen machen. Ihre revolutionäre Arbeit stellte sich starke Laser in allgegenwärtige lab-tools. Der Tag der Ankündigung Anfang dieses Monats, hatte ich bereits geplant, besuchen Sie den tennis-court Größe Berkeley Lab Laser Accelerator, oder BELLA, die mit einem der Nobel-gewinnende Methoden zu erstellen, die eine der mächtigsten laser-Pulse auf der Erde.

Donna Strickland, Gérard Mourou, und Arthur Ashkin gemeinsam dieses Jahr den Nobelpreis in Physik für Fortschritte in der laser-Technologie. Es war der erste Physik-Preis für feature einer weiblichen Büste, die in über 50 Jahren—Strickland ist erst das Dritte weibliche Physik-Preisträger in der Geschichte. BELLA und andere high-power-Laser einsetzen, die Technik entwickelt von Strickland und Mourou, genannt zwitscherte impulsverstärkung, zu erstellen Sie Ihre unglaubliche laser-Impulse. Diese Geräte könnten eines Tages die macht tabletop Teilchenbeschleuniger für die medizinische Verwendung, als Mikroskope zu Bild Atomen, und schieben Sie die Grenzen der Physik noch weiter.

“Als ich sah, Vorträge von Menschen bauen diese Laser und die Wissenschaft gemacht, die von diesen Lasern, dachte ich, wow, das ist irrsinnig, ich könnte etwas getan haben, das änderte sich ein Feld der Wissenschaft,” Strickland, professor an der Universität von Waterloo, sagte Gizmodo in einem interview.

Lampen senden Licht in alle Richtungen mit unterschiedlichen Wellenlängen, aber Laser erzeugen Intensive Lichtstrahlen, Photonen—die kleinsten Einheiten des Lichts, deren elektromagnetische Felder sind alle synchronisiert. Laser-Funktion mit einem Prozess namens stimulierte emission.

Normalerweise sind Atome absorbieren Strahlung in form von Photonen, die Ihre Elektronen springen auf höhere Energie-Zustände, dann spontan fallen, um den unteren Staaten und emittieren Photonen—, dass die “spontane emission.” Aber wenn Sie genug von den Elektronen in einem medium in angeregten Zuständen, dann werden neue Photonen verursacht, die Elektronen fallen zu lassen, um eine niedrigere Energie Zustand und emittieren Photonen, ohne Sie zu absorbieren. In diesem Fall, ein richtig abgestimmter photon mit einer bestimmten Wellenlänge, phase und Richtung induziert, die aufgeregt Elektronen zu emittieren Photonen mit gleichen Eigenschaften. Moderne Laser bestehen aus einer Eingabe-Energie-Quelle zur Anregung der Elektronen, die in einem medium wie einem Kristall. Der Kristall befindet sich zwischen zwei spiegeln, wovon einer nur teilweise Licht reflektiert. Das Licht Prellen zwischen den spiegeln weiterhin die stimulierte emission, resultierend in einer einzigen Farbe Strahl von Licht, das aus dem Gerät durch die teilweise Spiegel—laser.

Vor der Erfindung des zwitscherte impulsverstärkung, schien es eine Grenze zu einem Laserpuls der Intensität. Erhöhte Leistung ändern könnte, das laser-medium optische Eigenschaften, die könnte verzerren den Laserstrahl oder sogar Schäden an das medium. Dieser wurde zu einem großen problem, das verlangsamt die Entwicklung der laser-Wissenschaft und die erforderlichen Gebäude-sperrig-Laser—bis zu Strickland und Mourou kam.

Strickland und Mourou das problem mit gepiepst impulsverstärkung für Laser in den 1980er Jahren. Der Prozess beginnt mit einem kurzen laser-Impuls. Der Puls springt durch ein paar Gitter, die es länger machen. Die Gitter wirken wie ein PRISMA, wodurch unterschiedliche Farben zu nehmen Pfade, die unterschiedliche Längen haben. Da Strom nur Energie geliefert, im Laufe der Zeit, stretching das Licht vermindert seine Kraft, und erlaubt es, verstärkt werden, ohne Schaden für das laser-medium. Schließlich wird der verstärkte Puls durchläuft einen Kompressor, der zwängt es in eine kürzere Auszeit—ein mächtiger Impuls. Die Methode gab den Forschern den Zugang zu leistungsstarken Laserpulsen könnten, sitzen auf einem Tisch, und high-power-laser-Puls-tools wie BELLA mehr machbar.

Wie macht man diese laser-Impulse unterscheiden sich von, sagen wir, ein gemeinsamer laser-pointer? Wenn Sie öffnete den Verschluss einer store-gekauft-laser für eine Sekunde, der Impuls, die, wenn ungestört, würde Spannweite von drei Viertel der Länge von hier bis zum Mond, bevor Sie schalten Sie es, Strickland erklärte. Laser verstärkt durch chirp-Puls-Verstärkung könnte, pack die gleiche Anzahl von Photonen in einem Puls der Dicke von einem Stück Papier. “Wenn Sie drücken Sie Sie alle zusammen, erhalten Sie eine große Anzahl von Photonen”, sagte Sie. Ja, wenn Sie Ihre hand in der Art, wie ein Strahl, es könnte ein unangenehmes brennen. Eine besonders leistungsfähige fokussierten Laserpuls könnte sogar zerbrechen Saphir.

BELLA ist zwitscherte impulsverstärkung auf Steroiden. Es beginnt mit einem Lasermedium, einem synthetischen Saphir-Kristall mit zusätzlichen Titan-Atome. Der Strahl geht durch den nächsten Teil, der trage, die sich dem Puls der Zeit. Eine Reihe von kleineren Laser aktivieren Titan-dotierte Saphir-Kristalle, Energie hinzufügen, um die gestreckte Puls, wie er reist durch sechs Endstufen. Am anderen Ende ist der Kompressor, und schließlich einen Spiegel zur Fokussierung des Strahls vor der übergabe in das experiment.

BELLA packs 40 Joule Energie, ein paar mal die Energie in einem Blitz, in einem Infrarot-Impuls von der Dauer nur 40 Femtosekunden, das ist so etwas wie eine Billion mal schneller als eine einzelne Klappe von einer Biene Flügel. BELLA Regisseur Wim Leemans war nicht bereit, zu spekulieren, was passieren würde, wenn diese Laserpuls trifft Sie, aber es ist sicher zu sagen, Sie wäre schwer verletzt oder sogar getötet.

Laser wie diese haben viele Anwendungen, von der Industrie auf die medizinische Forschung. Aber Mourou und andere haben erkannt, dass diese high-power-Laser kann als eine ganz neue Art und Weise zu beschleunigen Teilchen auf hohe Energien—und das ist, was BELLA wird verwendet, um zu studieren. Wissenschaftler Traum, dass eines Tages, diese laser-plasma-Beschleunigern könnte schrumpfen Experimente der Teilchenphysik zu dem Punkt, dass Sie nicht mehr benötigen enorme Infrastruktur-Projekten wie dem Large Hadron Collider in der Schweiz. Laser-plasma-Beschleuniger kann ein Tag erscheinen in alltäglichen Kontexten, wo die Teilchen werden verwendet, um Ziel-und break-down-Tumoren als Krebs-Behandlung. Das Nobel-Komitee erwähnt sowohl laser-plasma-Beschleunigung und BELLA in Ihrer wissenschaftlichen hintergrund der 2018-Preis.

Als er ging mit mir durch einen höhlenartigen Flur dokumentieren die Geschichte der Teilchenbeschleuniger in Berkeley National Lab, Leemans offenbart einen kleinen block, über die Größe der Hälfte ein stick von butter. BELLA ‘ s laser-Puls durchläuft eine plasma-gespeichert in einem Rohr geätzt in das winzige Gerät, die Beschleunigung von Elektronen in das plasma fast die Energien von einigen der weltweit höchsten Energie Elektronen-Beschleuniger.

Es gibt viele Knicke zu erarbeiten, bevor ein tabletop -, laser-driven particle accelerator könnte etwas tun, wie Behandlung von Krebs, einschließlich der Erhöhung, wie Häufig das Gerät kann Impulse liefern. Noch ein Teilchenbeschleuniger für die Krebstherapie würde nicht brauchen einen laser so groß wie BELLA. Nachdem alle, zwitscherte impulsverstärkung erlaubt hat, für Tischplatte-Größe terawatt-Laserpulsen. Theoretisch bringen könnte wie ein Krebs zu jedermann, ohne dass Sie ein Krankenhaus besuchen. “Sie könnten das ganze system auf einem LKW,” Leemans, sagte.

Wenn wir sagen, dass Strickland und Mourou Arbeit verwandelt das Feld—wir meinen es auch. Obwohl BELLA einmal hielt den Rekord für den weltweit leistungsstärksten laser pulse, andere Labore haben da seinen Platz eingenommen, mit hochgesteckten Zielen , wie “breaking the vacuum,” oder Sie nehmen genug Energie in einer region zu generieren Partikel aus der leere Raum, etwas, das nie zuvor getan wurde. Völlig neue Themenfelder haben begonnen, Dank dieser laser-Durchbruch. “Es ist bemerkenswert”, sagte Strickland. “Die Impulse sind kürzer, die Energie ist höher. Es hat alles geändert.”

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