Нобелівську
премію з фізики 2018 року присудили
за досягнення в області лазерної оптики
112-я премія
вручена трьом лауреатам: Артур Ешкін був представлений до нагороди за оптичний
пінцет і його застосування в області біології, а Жерар Муру і Донна Стрікленд -
за розробку методу генерації високоінтенсивних ультракоротких оптичних
імпульсів. Ешкін отримає половину премії, Муру і Стрікленд - по
чверті.
Цього року
Нобелівський комітет вирішив об'єднати в одну премію дві дуже різні технології,
які обидві внесли істотний внесок у спорудження і використання
лазерів. Перша технологія - це принцип оптичного пінцета, за який вручають
премію Артуру Ешкіну. Розроблена ним методика заснована на тому, що, якщо
якась дрібна частка потрапляє в центр світлової плями від лазера, вона
виявляється спіймана і вийти з нього вже не може. Відповідно, потрібно
налаштувати лазер так, щоб частка виявилася в його центрі, і, якщо рухати
лазерний пучок вправо або вліво, вона буде рухатися разом з плямою, як
рятувальний круг тягне за собою потопаючого. Це відбувається на масштабах
порядку довжини хвилі - одного мікрона, тому лазер може схопити дуже дрібну
частку, аж до молекули, білка або фрагмента ДНК.
Друга
технологія, за яку нагороджують Донну Стрікленд і Жерара Муру, використовується
для посилення лазерного променя. На ній засновані всі сучасні потужні
лазери. Сам процес лазерного посилення був придуманий ще в 1960
році. Метод, запропонований в 1986 році в статті двох лауреатів,
відрізняється від попередніх технологій тим, що використовує розтягнутий в часі
лазерний імпульс, який не завдає шкоди середовищу, що підсилює його. Щоб
послабити лазерний імпульс, його велику енергію просто розмазують в часі тонким
шаром. Після розтягування потужність імпульсу зменшується в десятки тисяч
разів, він стає безпечним і посилюється як звичайний, невеликої потужності
імпульс.
1) Короткий
світловий імпульс проходить через дифракційні решітки, які розтягують
його. 2) Потужність розтягнутого імпульсу падає. 3) Імпульс проходить
через підсилювач потужності і знову стискається в оптичному компресорі з
дифракційних решіток. 4) Потужність стисненого імпульсу багаторазово
зростає // Johan
Jarnestad / The Royal Swedish Academy of Sciences
Перший етап -
розтягнення. Воно відбувається за рахунок того, що частотам лазерного
імпульсу призначається різний шлях. Уявіть собі потяг, вагони якого їдуть
з різною швидкістю: перший вагон - найшвидший, останній -
найповільніший. Якщо вагони не зчеплені, поїзд розтягується на велику
відстань. Точно так же розтягує лазерний пучок; його пікова
потужність падає, і, отже, його можна пропустити через підсилювач.
Після цього
лазерний імпульс треба зібрати назад. Проблема в тому, що лазер такої
потужності в змозі зруйнувати будь-яке середовище, зокрема скло. Значить, його
можна використовувати тільки в вакуумі. Щоб вирішити цю проблему в
сучасних установках для стиснення імпульсу, використовують відображення -
тільки не звичайне, дзеркальне, а відображення від дифракційних решіток - і тим
самим збільшують його потужність в десятки тисяч разів. Оскільки світло не
проходить через решітки, а тільки відбивається, ніякої шкоди він їм не завдає
(зрозуміло, до певного, але набагато більшого рівня потужності).
Імпульс
стискається назад в оптичному компресорі. Його дифракційні решітки
влаштовані так, що для кожної частоти вони вносять потрібну
затримку. Відповідно, повертаючись до метафори поїзда, останні вагони
йдуть по короткому шляху і проходять його швидко, а перші вагони, навпаки,
повільно. Самі по собі дифракційні решітки відомі ще довше, ніж
лазери. Але логіку всього процесу і працює ланцюжок зібрали воєдино Донна
Стрікленд і Жерар Муру: завдяки їм стало ясно, як використовувати давно відомі
підходи для створення лазерів величезних потужностей. Сьогодні все лазери
з великою пікової потужністю використовують їх технологію.
Так отримують
рекордно потужні лазери до 10 петаватт (1016 ват), які
використовуються у фундаментальних дослідженнях. Такі установки - єдиний
спосіб створити електричне поле фантастичною сили, яке допомагає досліджувати
найрізноманітніші процеси: як ті, що відбуваються в надрах зірок, так і ті, що
просто не йдуть у Всесвіті, тому що таких полів в ній немає. У взаємодії
поля з вакуумом, електронами і плазмою розкриваються такі галузі фізики, які не
можна досліджувати іншими способами.
Лазери простіше,
потужністю в 1 петаватт, можуть використовуватися для прискорення
частинок. Сьогодні обговорюється ідея, що наступне покоління прискорювачів
електронів не повинно бути засновано на тих же принципах, що і сучасні
прискорювачі, так як витрати на їх будівництво і підтримку стають вже
непідйомні навіть для міжнародних колаборацій. Перші експерименти
показують, що величезні дорогі установки можна замінити на лазерні, прості і
компактні, і отримати навіть більш енергійні електрони. Крім того, лазерні
установки можна буде використовувати для лікування раку замість громіздких
протонних прискорювачів. Правда, практична реалізація цієї ідеї ще попереду.
