02.10.2018

Нобелевская премия по физике: лазерные инструменты

Нобелевская премия этого года в области физики была присуждена ученым, создавшим новые научные инструменты на основе лазеров, обладающие невиданными возможностями. Изобретение американца Артура Ашкина (Arthur Ashkin) стало известным под названием «оптический пинцет». Оно позволяет при помощи лазерного луча удерживать и перемещать такие объекты, как отдельные молекулы, атомы, вирусы или бактерии. Француз Жерар Муру (Gérard Mourou) и канадка Донна Стрикленд (Donna Strickland) создали усиления ультракоротких лазерных импульсов с линейной частотной модуляцией, что позволила получить самые интенсивные и одновременно самые короткие импульсы лазера в истории человечества, нашедшие применение в медицине и промышленности.

Артур Ашкин начал эксперименты по воздействию лазерного луча на прозрачные сферы микронного диаметра в конце 1960-х годов, работая в Bell Labs. Как и ожидалось, он обнаружил, что сфера, попавшая в луч, начинает двигаться под действие светового давления. Неожиданным стало обнаружение градиента силы внутри луча. Интенсивность лазерного пучка ослабевает от центра к краям, и равнодействующая всех сил, действующих на сферу, толкает ее к центру луча. Объяснить это явление можно при помощи закона сохранения импульса. Фотоны лазерного излучения преломляются находящейся в луче частицей, то есть направление их движения изменяется. Но, по закону сохранения импульса, сумма импульсов фотонов и частицы должна оставаться постоянной. Значит, частица сдвигается в направлении, противоположном тому, в каком она преломила свет. Если частица находится на оси луча, то число фотонов, отклоняемых ею влево и вправо, одинаково, и частица находится на месте. Если же она смещается, например, вправо относительно оси луча, число фотонов, отклоняемых вправо, начинает превышать число фотонов, отклоняемых влево. В результате возникнет сила, направляющая частицу влево – обратно к оси луча.

Сфокусировав луч при помощи линзы, оказалось возможным удерживать сферу на месте и перемещать ее, меняя направление луча – так возник прообраз оптической ловушки. Действие ее основано на уже упоминавшемся законе сохранения импульса, заставляющим частицы сдвигаться к оси луча, а также на поляризации частиц в электромагнитном поле. У диэлектрических частиц под воздействием потока фотонов возникает дипольный момент, и под действием градиента электромагнитного поля они движутся к точке фокуса. Чтобы захват цели был стабильным, необходимо преобладание градиентной силы над световым давлением, смещающим частицу вперед вдоль оси луча. Оно достигается при помощи конфигурации лазерной системы.

На создание «лазерного пинцета» у Артура Ашкина ушло почти два десятка лет. Впервые Ашкин и его сотрудники продемонстрировали работу этого устройства в 1986 году. В дальнейшем Ашкин начал применять созданный им метод к различным биологическим объектам: бактериям, вирусам и живым клеткам. Он обнаружил, что «лазерным пинцетом» можно перемещать даже отдельные объекты внутри клетки, не разрушая при этом клеточную мембрану.

В то же время на основе работ Ашкина и других исследований в области лазерной оптики начало развивать отдельное направление – лазерное охлаждение атомов. Если атом поглощает фотон, а затем вновь излучает его с большей частотой, а следовательно и с большей энергией, то избыток энергии фотона возникает за счет уменьшение тепловых движений атома. Оказалось, что этот способ позволяет охладить атомы до температур, близких к абсолютному нулю. За работы по лазерному охлаждению атомов коллега Артура Ашкина Стивен Чу (Steven Chu) получил Нобелевскую премию по физике в 1997 году.

Исследования Жерара Муру и Донны Стрикленд лежат в другой области ядерной физики. В 1980-х года Муру и Стрикленд работали в Рочестерском университете в США, пытаясь получить ультракороткие лазерные импульсы высокой интенсивности. К тому времени казалось, что предел увеличения интенсивности без рабочей среды лазера. Преодолеть этот предел смогла предложенная учеными технология усиления ультракоротких лазерных импульсов с линейной частотной модуляцией, или кратко – усиления чирпированных импульсов (chirped pulse amplification, CPA).

Суть этой технологии состоит в растягивании изначального короткого импульса в оптической системе, усилении его и последующем сжатии, в ходе которого интенсивность импульса многократно возрастает. Технология CPA применяется, например, в лазерной микрохирургии.

Максим Руссо

Источники:

1. polit.ru