Чирпированный импульс что это такое
Нобелевка по физике: оптический пинцет и чирпированные импульсы
Слева направо: Артур Эшкин, Жерар Муру и Донна Стриклэнд
Bell Lab/University of Michigan/University of Waterloo
В Швеции объявили лауреатов Нобелевской премии по физике. Ими стали Артур Эшкин, Жерар Муру и Донна Стриклэнд. Они награждены за «новаторские изобретения в области лазерной физики».
Эта премия стала дважды знаковой. Во-первых, впервые за полвека Нобелевскую премию по физике получила женщина: Донна Стриклэнд стала всего лишь третьей (первой была Мария Кюри в 1903 году, второй — Мария Гепперт-Майер в 1963 году, ровно 60 лет спустя). А во-вторых, Артур Эшкин стал самым пожилым обладателем Нобелевской премии — 96 лет. Кстати, прождавший более 40 лет своей награды Эшкин продолжил великолепную традицию троллить Нобелевский комитет: на звонок из Стокгольма он ответил, что ему некогда разговаривать, потому что ему надо готовить новую статью. Кроме того, сейчас Эшкин еще и старейший из ныне живущих обладателей главной научной награды.
Премия 2018 года удовлетворяет сразу двум условиям завещания Альфреда Нобеля, согласно которому премию можно разделить между двумя разными тематиками и тремя людьми. Так и произошло: несмотря на общую формулировку, тематика исследований первого лауреата сильно отличается от тематики двух других.
Итак, американец Артур Эшкин, сотрудник Bell Laboratories, потомок эмигранта из Одессы и эмигрантки из Галиции. В 1970 году вышла первая его работа, которая показывала, что частицы микронного размера можно ускорять и улавливать посредством излучения. 16 лет спустя вышла этапная статья, в которой показывалось, что тонко сфокусированный лазерный луч способен удерживать и перемещать микроскопические частицы в трех измерениях. Среди соавторов этой статьи были и Артур Эшкин, и Стивен Чу. Эшкин продолжил развивать тематику оптического пинцета для манипуляций молекулами и более крупными частицами, а Чу сосредоточился на способности лазерного луча останавливать атомы, тем самым охлаждая их. Более молодой Чу (он на 26 лет младше Эшкина) получил Нобелевскую премию 1997 года за свои прорывные работы, а после успел послужить Бараку Обаме в качестве министра энергетики США.
Эшкину же пришлось ждать намного дольше. За это время оптический пинцет стал достаточно рутинной технологией: биологи с его помощью манипулируют отдельными клетками, химики соединяют отдельные атомы натрия и цезия, биохимики активно изучают работу белков и нуклеиновых кислот. Поэтому премия абсолютно заслуженная, а время ее ожидания не рекорд. Так, Эрнст Руска ждал премии за создание электронного микроскопа 55 лет!
Как работает оптический пинцет: когда шар смещается от центра лазерного пучка, как на рисунке (a), наибольшее изменение импульса лучей с большей интенсивностью вызывает появление силы, направленной к центру ловушки. Когда шар расположен в центре пучка, как показано на рисунке (b), сила указывает в сторону сужения
Работы Жерара Муру (Франция, Эколь Политекник) и Донны Стриклэнд (Канада, Университет Ватерлоо) позволили получить наиболее интенсивные и короткие лазерные импульсы из когда-либо созданных человеком. Их метод получил название «усиление чирпированных импульсов». Его принцип таков: берется короткий лазерный импульс, «растягивается» во времени и в пространстве за счет дисперсии, усиливается, а затем снова сжимается. Английское слово chirp — это птичий щебет, трель, «растянутый» звуковой импульс.
Работа Муру и Стриклэнд вышла за год до основополагающей работы Эшкина. Их тоже можно назвать нобелевскими «долгождателями», получившими свою премию через тридцать лет и три года, пусть они и сильно моложе первого лауреата.
Чирпированный импульс что это такое
Зачем нужны сверхмощные лазерные импульсы?
Л.М. Горбунов
Леонид Михайлович Горбунов, д.ф.-м.н., проф., гл.научн.сотр. Физического института им.П.Н.Лебедева РАН.
В последние годы созданы лазеры, генерирующие сверхмощные ультракороткие световые импульсы. Во многих странах широким фронтом ведутся исследования распространения таких импульсов и их взаимодействия с веществом. Обнаружены новые физические явления, анализируются возможности использования этих импульсов в разнообразных областях, начиная от ядерной физики и астрофизики и кончая медициной.
В предлагаемой статье читатель сможет познакомиться с новой областью физики, у которой еще нет устоявшегося названия. В публикациях по этой тематике используются различные термины: “сверхсильные лазерные поля”, “ультрамощные лазерные импульсы”, “оптика в релятивистском режиме” и др. Начнем с того, что постараемся разобраться в смысле данных слов.
Что такое “сверхсильные электромагнитные поля”
Таким образом, даже внутриатомные поля, традиционно считавшиеся большими по сравнению с теми, что встречаются в повседневной жизни, оказываются малыми по сравнению с полями, которые возникают при фокусировке ультракоротких сверхмощных лазерных импульсов. Именно по отношению к таким полям принято использовать термин “сверхсильные”.
Устоявшееся в течение долгого времени представление о том, что внешние поля слабо влияют на атомные системы и могут учитываться как малое возмущение, теряет смысл. Перед наукой возникла реальная проблема развития новых представлений о воздействии таких сверхсильных электромагнитных полей на вещество.
Еще один термин, которым пользуются применительно к таким полям, связан с движением в них одного электрона. Общепринято считать, что в поле линейно поляризованной электромагнитной волны электрон совершает колебательное движение со скоростью, малой по сравнению со скоростью света. По мере того как амплитуда волны увеличивается, возрастает и скорость осцилляций электрона. Для волны с длиной 1 мкм, характерной для таких лазеров, скорость осцилляций электрона становится близкой к скорости света при напряженности поля
10 11 В/см, что соответствует интенсивности
Рис.1. Принцип работы СРА-лазера. Короткий слабый лазерный импульс из генератора поступает в растяжитель, где его длина возрастает в тысячи раз, а частота излучения плавно изменяется по длине импульса (так называемый чирпированный импульс). Затем импульс проходит через усилитель, увеличивающий его энергию на много порядков. Из усилителя импульс попадает в компрессор, где длительность его уменьшается до начального значения.
Из генератора такой короткий и слабый импульс поступает в устройство, которое называется “растяжитель”, где он растягивается в тысячи раз. Здесь как раз и закладывается та ключевая особенность лазерного импульса, на которой основана работа СРА-лазеров. Импульс растягивается таким образом, чтобы частота излучения плавно изменялась по его длине. Наглядно это можно представить как гармошку, у которой расстояние между выступами и впадинами изменяется плавно по длине. Импульс с таким распределением частоты излучения называется чирпированным от английского слова “chirp”, которое означает чирикание или щебетание. Изменение длины волны излучения от начала импульса к его концу обычно не столь уж велико и составляет доли процента.
После этого длинный, чирпированный импульс, обладающий большой энергией, поступает в устройство, которое называется компрессор. Задача последнего состоит в том, чтобы снова сжать импульс до его первоначальной длины. Достигается это за счет эффекта, обратного тому, благодаря которому импульс был растянут.
Теперь остановимся коротко на том, как устроены растяжитель и компрессор.
Рис.2. Устройство растяжителя и компрессора. Различные частотные компоненты, образующие лазерный импульс, отражаются от дифракционной решетки под разными углами. При последующем отражении от второй дифракционной решетки, ориентированной определенным образом относительно первой, импульс либо растягивается (верхний рисунок), либо сжимается (нижний рисунок).
В настоящее время в мире, видимо, работает около сотни СРА-лазеров. С их помощью исследуются различные физические эффекты, многие из которых уже находят практическое применение. Ниже мы остановимся на некоторых применениях СРА-лазеров.
Лазерное ускорение электронов…
Идея использования лазеров для ускорения электронов в плазме была выдвинута в 1979 г. американскими учеными [3]. Применительно к коротким лазерным импульсам первые аналитические исследования были опубликованы в 1987 г. [4] и в 1988 г. [5]. По сути, лазерное ускорение электронов в плазме очень близко к так называемому коллективному методу ускорению электронов, который разрабатывался в течение многих лет в Харьковском физико-техническом институте под руководством Я.Б.Файнберга. О тех проблемах, с которыми сталкивается традиционная вакуумная ускорительная техника, и о коллективных методах ускорения в плазме можно прочитать в статье, опубликованной в журнале “Природа” ранее [6].
Рис.4. Возмущение плотности электронов в кильватерной волне, возбуждаемой лазерным импульсом с длительностью 30 фс и мощностью
Сначала считалось, что для возбуждения кильватерных волн лучше всего подходят лазерные импульсы с длительностью, близкой к периоду плазменных колебаний, в то время как более длинные импульсы для этой цели не годятся. Но численные расчеты 9 и последующие эксперименты показали, что это не так. Лазерный импульс, длина которого значительно превосходит длину плазменной волны, а мощность превышает определенную величину, в процессе распространения в плазме изменяет свою форму (рис.5). Сначала возникает модуляция его амплитуды, а затем он разбивается на последовательность более коротких импульсов с периодом следования, равным плазменному периоду. Этот эффект получил название самомодуляции импульса. Между последовательностью коротких импульсов и плазменными колебаниями возникает резонанс. Каждый последующий короткий импульс увеличивает амплитуду той кильватерной волны, которую возбудил первый короткий импульс. В результате уже внутри лазерного импульса поле плазменной волны становится весьма большим и достигает 10 9 В/см. Часть электронов плазмы при этом захватывается в плазменную волну. Они начинают двигаться вместе с волной и ускоряются до энергии порядка 100 МэВ на длине в несколько миллиметров.
В настоящее время накоплен уже значительный экспериментальный и теоретический материал, достаточный для проектирования и строительства лазерного ускорителя на энергию электронов более 1000 МэВ. Сейчас несколько таких проектов близки к реализации.
Рис.6. Распространение лазерного импульса в bubble-режиме. Сразу сзади за импульсом образуется область, в которой нет электронов (электронный пузырь). В нее захватывается из плазмы маленький электронный сгусток, который ускоряется.
В 2000 г. при облучении тонких фольг высокоинтенсивными (более 10 18 Вт/см 2 ) лазерными импульсами были обнаружены протоны с энергией до 10 МэВ, вылетающие в основном из задней стенки фольги в направлении распространения импульса [10]. Этот результат вызвал большой интерес. Опыты были повторены во многих лабораториях. Максимальная измеренная энергия протонов в некоторых из них достигала 60 МэВ, а их число доходило до 10 12 на один лазерный импульс.
Как возникают протоны с такой высокой энергией? Анализ экспериментальных данных и численные расчеты показали, что под действием лазерного импульса в фольге возникают быстрые электроны, которые проходят фольгу насквозь и вылетают с ее противоположной стороны. Но далеко улететь они не могут. Их останавливает электрическое поле ионов, оставшихся в фольге. Вблизи задней поверхности мишени образуется отрицательно заряженный слой, состоящий из электронов. Электрическое поле, создаваемое этими электронами, направлено перпендикулярно к поверхности и достигает величины, достаточной для того, чтобы ионизовать атомы, находящиеся на поверхности. Затем, под действием этого же электрического поля, ионы начинает ускоряться. Возникает двойной слой, состоящий из разделенных в пространстве слоев электронов и ионов, который вылетает из мишени. В процессе ускорения энергия от электронов переходит к ионам. Наиболее эффективно ускоряются легкие ионы (протоны), образовавшиеся из атомов водорода, адсорбированного на поверхности фольги (рис.7).
Рис.7. Ускорение ионов (протонов) при облучении коротким лазерным импульсом тонкой фольги. Лазерный импульс падает на левую границу фольги, быстрые электроны вылетают через правую границу фольги и ускоряют ионы своим электрическим полем.
Быстрое зажигание термоядерного синтеза
Самой простой является схема прямого сжатия и нагрева ядерного топлива. Лазерные пучки направляются со всех сторон на сферическую оболочку, заполненную смесью дейтерия и трития, при слиянии ядер которых и выделяется энергия. Но для того, чтобы реакция началась, температура внутри мишени должна доходить до 10 кэВ (100 млн градусов). Такой гигантской температуры можно достичь, если резко сжать внутреннюю часть мишени (внешняя оболочка при этом разлетится). Если достичь требуемой температуры при достаточно высокой плотности плазмы, то начнется реакция синтеза, и дальше температура будет поддерживаться за счет выделяющейся при этом энергии. В каком-то смысле такая схема напоминает работу дизельного двигателя, где топливо самовоспламеняется за счет его сильного сжатия.
В отличие от дизельного, в обычном бензиновом двигателе топливо сжимается до меньшего давления и поджигается электрическим разрядом (свеча зажигания). Возникает естественная мысль поджечь и ядерную реакцию при умеренном давлении, использовав в качестве своеобразной “свечи” ультракороткий сверхмощный лазерный импульс.
К настоящему времени предложено еще несколько схем быстрого поджига ядерной реакции, в частности с использованием энергичных ионов, возникающих при взаимодействии сверхмощных лазерных импульсов с тонкими фольгами.
Осуществление быстрого поджига термоядерной реакции требует проработки многих вопросов, которая в настоящее время ведется в лабораториях Японии, США, Франции, Великобритании и др.
Ядерные реакции в луче лазера
Рис.10. Схема эксперимента по D-D реакции. На мишень из [C 2 D 4 ] падает сначала лазерный импульс, создающий плазму. Затем падает второй ультракороткий импульс, образующий плазменный канал. Выброшенные в радиальном направлении ионы дейтерия сталкиваются с медленными ионами дейтерия. В результате реакции D + D ® 3 He(0.82 МэВ) + n(2.45 МэВ) возникают нейтроны, которые регистрируются.
Синхротронное и субмиллиметровое излучение
Обычно источником синхротронного излучения служит пучок высокоэнергичных электронов, движущийся в магнитном поле. Создание относительно компактных лазерно-плазменных ускорителей электронов, о которых речь шла выше, откроет новые возможности для традиционного метода генерации синхротронного излучения. Однако есть и другой путь для генерации этого излучения непосредственно в процессе ускорения электронов.
Как уже говорилось выше, мощный короткий импульс, распространяясь в плазме, возбуждает сзади за собой кильватерные волны, которые могут захватывать часть электронов. Захваченные электроны, двигаясь вместе с кильватерной волной, одновременно осциллируют в поперечном направлении на масштабах порядка ширины кильватерной волны. Связанное с этим искривление траектории электрона сопровождается излучением, которое при соответствующей энергии электронов может иметь частоту того же порядка, что и синхротронное излучение.
Рис.11. Пересечение лазерным импульсом границы плазма-вакуум. Неоднородная плазма создается при ионизации фольги лазерным импульсом. Второй ультракороткий лазерный импульс возбуждает в плазме кильватерную волну, в поле которой ускоряются электроны. Проходя через границу плазмы, они создают электромагнитное переходное излучение в терагерцовом диапазоне частот.
* * * Создание СРА-лазеров, способных генерировать ультракороткие сверхмощные лазерные импульсы, открыло широкие перспективы для разнообразных исследований. Благодаря относительной дешевизне и умеренным габаритам, эти лазеры появились в последние годы во многих быстро развивающихся в научном отношении странах (Китае, Индии, Корее, Голландии, Греции и др.). Самые мощные лазеры строятся в настоящее время во Франции, Японии, Германии, США.
Интерес к этим лазерам расширяется и связан с двумя факторами. С одной стороны, они позволяют исследовать свойства вещества в сверхсильных электромагнитных полях, когда неприменимы многие традиционные физические представления. С другой стороны, они могут стать тем инструментом, который найдет много разнообразных применений в медицине, экологии, обеспечении безопасности.
1. Mourou G., Tajima T., Bulanov S.V. // Review of Modern Physics. 2006. V.78. P.309-371.
2. Stricklend D., Mourou G. // Optic Communications. 1985. V.56. P.219-221.
3. Tajima T., Dawson J.M. // Phys. Rev. Lett. 1979. V.43. P.267-271.
4. Горбунов Л.М., Кирсанов В.И. // ЖЭТФ. 1987. Т.93. С.509-518.
5. Sprangle P., Esarey E., Ting A., Joyce G. // Appl. Phys. Lett. 1988. V.53. P.2146-2148.
6. Горбунов Л.М. Ускорители XXI века? // Природа. 1988. №5. С.15-23.
7. Андреев Н.Е., Горбунов Л.М., Кирсанов В.И. и др. //Письма в ЖЭТФ. 1992. Т.55. С.551-555.
8. Antonsen T., Mora P. // Phys. Rev. Lett. 1992. V.69. P.2204-2207.
9. Sprangle P., Esarey E., Krall J., Joyce G. // Phys. Rev. Lett. 1992. V.69. P.2000-2003.
Скальпель и пинцет
Нобелевскую премию по физике 2018 года присудили за открытия в области лазеров
Во вторник, 2 октября, Шведская академия наук присудила Нобелевскую премию по физике «за новаторские изобретения в области лазеров». Половину премии получит 96-летний американский физик Артур Эшкин (Arthur Ashkin), придумавший технологию оптического пинцета, другую половину поделят между собой Жерар Муру (Gerard Mourou) и Донна Стрикленд (Donna Strickland), разработавшие метод генерации фемтосекундных петаваттных лазерных импульсов.
Как лазер стал пинцетом
Чтобы управлять мелкими предметами, — например, выщипывать брови или отделять зерна сорняков от гречневой крупы, — удобно использовать пинцет, способный механически захватывать и удерживать представляющие интерес объекты. К сожалению, перемещать обычным пинцетом объекты микронных размеров — живые клетки, белки и молекулы — нельзя: любая попытка захватить такой объект приведет к его разрушению, и дальнейшие манипуляции потеряют смысл. С целью преодолеть это препятствие, американский физик Артур Эшкин разработал оптический пинцет — устройство, которое с помощью лазерного пучка перемещает микроскопические объекты, сохраняя их внутреннюю структуру.
Вообще говоря, работа оптического пинцета зависит от размера перемещаемого объекта. Для начала рассмотрим ситуацию, когда размеры объекта превышают длину волны лазерного излучения — d > λ. Это условие позволяет использовать приближение геометрической оптики, чтобы рассчитать траектории лучей, отраженных и преломленных частицей. Для простоты можно приблизить частицу идеальной сферой (рассеяние Ми). Кроме того, заметим, что электромагнитная волна, рассеянная на частице, передает ей некоторый импульс — а следовательно, создает эффективную силу, которая толкает частицу вдоль градиента квадрата электрического поля, то есть в сторону увеличения интенсивности света (поэтому силу называют градиентной). В результате частица будет «прижиматься» к оси луча, около которой интенсивность лазера максимальна. Если же направить на частицу два лазера, распространяющихся в противоположных направлениях, или сфокусировать лазер с помощью системы линз, то можно «зажать» ее в трех измерениях и заставить перемещаться вслед за точкой фокусировки.
Если же диаметр микрочастицы оказывается меньше длины волны лазера (d λ. Более подробно про принципы, на которых основан оптический пинцет, можно прочитать в статье доктора технических наук А. Голубева.
Схема работы оптического пинцета
Впервые градиентные силы были экспериментально открыты Артуром Эшкиным в 1970 году. После этого физику понадобилось еще 16 лет, чтобы отточить технологию и создать первый полноценный оптический пинцет, способный захватывать и перемещать микроскопические частицы. В основном ученому мешали тепловые колебания атомов, которые он пытался захватить, и низкая мощность лазеров, доступных на тот момент. Еще через год Эшкин, захватив с помощью оптического пинцета вирус табачной мозаики и бактерию Escherichia coli, показал, что его технологию можно использовать для изучения биологических объектов. Более того, уменьшая длину волны лазерного пучка, ученый добился того, чтобы бактерии сохраняли жизнеспособность и продолжали размножаться, будучи пойманными в оптическую ловушку.
Разработка Эшкина сыграла важную роль в исследовании многих биологических процессов, в частности молекулярных машин, за исследование которых Жан-Пьер Соваж, Фрейзер Стоддарт и Бернард Феринга в 2016 году получили Нобелевскую премию по химии. В том числе с помощью оптических пинцетов ученые увидели, как молекула кинезина «шагает» по поверхности образца, и измерили силу, с которой она способна тянуть объекты. Для этого исследователи прикрепляли конец молекулы к микроскопической сфере, подвешенной в оптической ловушке, и измеряли, как далеко молекула может «оттянуть» сферу от равновесного положения. Кроме того, с помощью оптических пинцетов биофизики научились собирать искусственные клетки в упорядоченные структуры и измерили вязкоупругие свойства биополимеров.
Измерение силы тяги «молекулярной машины» с помощью оптического пинцета
Сотрудник Лаборатории 3D-печати функциональных микроструктур МФТИ Дмитрий Чубич так прокомментировал разработку Артура Эшкина: «Оптические пинцеты активно используется в биологии — для этого нужно подобрать длину волны лазера так, чтобы частица его не поглощала, то есть не нагревалась. В этом случае вы можете перемещать, например, живую клетку или органеллы в клетке в произвольном направлении, причем клетка не разрушается, остается целой и жизнеспособной. Более того, ее можно разместить там, где вам нужно, с точностью до нескольких сотен нанометров — в зависимости от длины волны лазера».
Заведующий отделом лазерной плазмы Объединенного института высоких температур (ОИВТ) РАН Михаил Агранат рассказал N+1 об одном из таких проектов. По его словам, его сотрудники совместно с коллегами из МГУ разработали комбинированную установку, объединяющую в себе лазерный скальпель и пинцет. С помощью этой установки ученые смогли разрезать оболочку зародыша на ранних стадиях деления и извлечь с помощью пинцета полярное тельце, изучение которого позволяет судить о состоянии эмбриона, в частности, о генетических отклонениях. Кроме того, световые инструменты позволяют экспериментировать с клеточными сфероидами.
Извлечение полярного тельца из яйцеклетки, выполненное группой Михаила Аграната
Фотографии предоставлены ОИВТ РАН
Извлечение полярного тельца из яйцеклетки, выполненное группой Михаила Аграната
Фотографии предоставлены ОИВТ РАН
Извлечение полярного тельца из яйцеклетки, выполненное группой Михаила Аграната
Фотографии предоставлены ОИВТ РАН
Извлечение полярного тельца из яйцеклетки, выполненное группой Михаила Аграната
Фотографии предоставлены ОИВТ РАН
Разумеется, оптические пинцеты применяются не только в биофизике, но и в других областях науки. Например, с их помощью можно управлять отдельными атомами — в марте этого года австралийские физики измерили с точностью до сотых долей аттоньютона силу, действующую на отдельный атом, а в апреле американские исследователи впервые провели химическую реакцию между отдельными атомами щелочных металлов. Более того, разработка Эшкина имеет и прикладные применения — например, в январе этого года американские инженеры получили с помощью оптического пинцета цветное трехмерное изображение, напоминающее голограммы из научно-фантастических фильмов.
Интересно, что Стивен Чу (Steven Chu) — один из соавторов работы 1986 года, в которой впервые были описаны оптические пинцеты — получил Нобелевскую премию по физике еще в 1997 году. В отличие от Эшкина, сосредоточившегося на применении оптических пинцетов в биофизике, Чу адаптировал эту технологию для охлаждения нейтральных атомов до сверхнизких температур, что в конечном счете позволило физикам получить на практике конденсаты Бозе — Эйнштейна. В ряде интервью Чу отмечал вклад Эшкина в разработку технологии; теперь этот вклад признан официально. Кроме того, стоит отметить, что 2 сентября Артуру Эшкину исполнилось 96 лет — это делает его самым старым лауреатом Нобелевской премии в истории.
Сжатый и усиленный свет
Разработка других лауреатов — Жерара Муру и Донны Стрикленд также связана с лазерными пучками и также позволяет исследовать процессы на уровне элементарных частиц.
Первые лазеры — оптические квантовые генераторы, которые позволяют получать когерентные, монохроматические, поляризованные и узконаправленные импульсы электромагнитного излучения — были построены в начале 1960-х годов. С помощью таких импульсов очень удобно исследовать внутреннюю структуру веществ и наблюдать за происходящими в них процессами — например, «увидеть», как разбегаются электроны по диэлектрику. Для этого нужно посветить лазером на вещество и измерить его реакцию. Чем больше мощность лазерной вспышки, тем сильнее вещество «откликается» на ее воздействие. С другой стороны, чем дольше вспышка длится во времени, тем сложнее отделить «отклик» образца на первоначальное воздействие. Поэтому на протяжении всей истории изучения лазеров физики старались увеличить мощность лазерного импульса и уменьшить его продолжительность. Для этого физики использовали все более и более мощные усилители, которые заставляли лазер генерировать больше фотонов.