i
i
“Osterman” — 2019/2/15 — 7:41 — page 171 — #1 i
i
i
i
i
i
OPTIČNA PINCETA IN USTVARJANJE
ULTRAKRATKIH OPTIČNIH SUNKOV VISOKIH
INTENZITET, NOBELOVA NAGRADA ZA FIZIKO 2018
NATAN OSTERMAN
Fakulteta za matematiko in fiziko, Univerza v Ljubljani
Institut »Jožef Stefan«
PACS: 01.75.+m, 42.55.f, 42.60.v, 42.62.b
Artur Ashkin, Gérard Mourou in Donna Strickland so dobitniki Nobelove nagrade za
fiziko 2018 za svoje prelomne izume v fiziki laserjev. V prvi polovici članka je orisana
zgodovinska pot do sodobne optične pincete, njeno delovanje in uporaba pri raziskavah,
v drugi polovici pa opǐsemo metodo CPA (»chirped pulse amplication«) za ustvarjanje
ultrakratkih optičnih sunkov visokih intenzitet ter navedemo uporabo in trenutne rekorde
sodobnih sunkovnih laserskih sistemov.
OPTICAL TWEEZERS AND GENERATION OF HIGH-INTENSITY,
ULTRA-SHORT OPTICAL PULSES, NOBEL PRIZE IN PHYSICS 2018
Artur Ashkin, Gérard Mourou and Donna Strickland were awarded the 2018 Nobel
Prize in Physics for their groundbreaking inventions in laser physics. A historical pathway
to the modern optical tweezers, its operation and use in research are outlined in the first
part of the article, whereas in the second part we describe the chirped pulse amplication
technique for creation of high-intensity, ultra-short optical pulses, as well as the use and
current records of modern pulsed laser systems.
Nobelovo nagrado za fiziko leta 2018 so prejeli trije eksperimentalni fiziki
za svoje »prelomne izume v fiziki laserjev«. Arthur Ashkin je dobil polovico
nagrade za iznajdbo optične pincete in njene uporabe v bioloških sistemih,
drugo polovico pa sta si razdelila Gérard Mourou in Donna Strickland za
izum metode za ustvarjanje ultrakratkih optičnih sunkov visokih intenzi-
tet [10].
Ashkin je bil rojen leta 1922 v New Yorku, leta 1952 pa je doktoriral
iz jedrske fizike na Univerzi Cornell. Po doktoratu se je zaposlil v Bell
Laboratories, kjer je ostal vse do upokojitve leta 1992. Nobelovo nagrado
je prejel pri starosti 96 let in s tem postal najstareǰsi prejemnik v zgodovini
nagrade. Kot zanimivost naj omenimo, da je Ashkin že deveti prejemnik
Nobelove nagrade iz Bell Labs.
Gérard Mourou, rojen 1944 v Albertvillu, Francija, je doktoriral leta
1973 na univerzi Paris VI. Po doktoratu je svojo raziskovalno pot najprej
Obzornik mat. fiz. 65 (2018) 5 171
i
i
“Osterman” — 2019/2/15 — 7:41 — page 172 — #2 i
i
i
i
i
i
Natan Osterman
nadaljeval v Združenih državah Amerike, najprej na Univerzi Rochester,
nato na Univerzi v Michiganu, leta 2004 pa se je vrnil v Francijo na ENSTA-
Ecole Polytechnique v Parizu.
Donna Strickland, rojena 1959 v Guelphu, Kanada, je po diplomi iz
inženirske fizike leta 1981 začela z doktoratom na Univerzi Rochester pod
mentorstvom Mourouja. Še kot doktorska študentka je z mentorjem leta
1985 objavila svoj prvi znanstveni članek, za katerega je 33 let pozneje
prejela Nobelovo nagrado. Po doktoratu leta 1989 je delala v Nacionalnem
raziskovalnem svetu Kanade, v laboratoriju Lawrence Livermore, na univerzi
Princeton, dokler se leta 1997 ni ustalila na Univerzi v Waterlooju v Kanadi.
Optična pinceta
Že v začetku 17. stoletja je astronom Kepler predlagal svetlobni tlak kot
vzrok, da repi kometov vedno kažejo stran od Sonca. Svetlobni tlak je
teoretično pokazal Maxwell leta 1873, v začetku 20. stoletja pa je bilo to
eksperimentalno potrjeno. Pri tem je šlo za izjemo šibke tlake, saj virov sve-
tlobe visoke intenzitete (tj. gostote energijskega toka) ni bilo na voljo. To je
omogočil šele izum laserjev v 60. letih preǰsnjega stoletja. Artur Ashkin je
leta 1970 močno fokusiran laserski snop Gaussovega intenzitetnega profila
usmeril na majhne dielektrične delce (npr. steklene mikrokroglice v zraku
ali vodi) in opazil pričakovano pospeševanje delcev v smeri širjenja svetlobe
zaradi t. i. sipalne sile oz. fotonskega tlaka [1]. Hkrati je ugotovil, da delce z
lomnim količnikom, večjim od okolice, v prečni smeri glede na smer širjenja
snopa t. i. gradientna sila vleče v smeri gradienta intenzitete, torej proti
sredǐsču snopa. Da je delec lahko ujel na mestu, stran od sten eksperimen-
talne celice (žargonsko rečemo temu ujetje v 3 dimenzijah oz. 3D-ujetje), je
moral zato uporabiti dva natančno poravnana laserska snopa, ki sta se širila
v nasprotnih smereh. Sipalni sili obeh snopov sta se odšteli, gradientna sila
pa je delec držala v gorǐsču snopov. Z enim samim laserskim snopom je bilo
delce moč 3D ujeti samo s pomočjo gravitacije – če je bil primerno močan
žarek usmerjen navpično navzgor, je gravitacija uravnotežila sipalno silo in
delci so lahko optično levitirali.
Ashkin je področje raziskoval naprej in leta 1986 s sodelavci izdelal prvo
enožarkovno optično past, s katero je v vodi lahko ujel dielektrične delce
172 Obzornik mat. fiz. 65 (2018) 5
i
i
“Osterman” — 2019/2/15 — 7:41 — page 173 — #3 i
i
i
i
i
i
Optična pinceta in ustvarjanje ultrakratkih optičnih sunkov visokih intenzitet,
Nobelova nagrada za fiziko 2018
velikosti od nekaj deset nanometrov do nekaj deset mikrometrov [3]. S
premikanjem lege gorǐsča snopa so lahko premikali tudi v past ujet delec,
zato je naprava kmalu dobila ime optična pinceta. Pri njej se laserski snop
tipično Gaussovega intenzitetnega profila močno fokusira skozi mikroskopski
objektiv z veliko numerično aperturo (NA = n sin θ, kjer je n lomni količnik
okolǐskega medija, θ pa kot pri vrhu stožca svetlobe, ki izhaja iz objektiva;
tipična NA pri optični pinceti je okoli 1), zaradi česar na delec deluje močna
gradientna sila, usmerjena proti gorǐsču snopa. Če je ta večja od sipalne
sile, je delec stabilno ujet v 3D.
Poenostavljena shema optičnih sil na delec v optični pasti v približku
geometrijske optike je prikazana na sliki 1a), kjer sta narisana dva žarka pri
potovanju skozi dielektrično kroglico. Če se ta nahaja npr. levo od optične
osi laserskega snopa, se centralni žarek z največjo intenziteto po dvojnem
lomu odkloni v levo. Žarku se pri tem spremeni gibalna količina, zato na
kroglico deluje sila v nasprotni smeri, torej proti optični osi.
Na splošno je gradientna sila posledica energije dielektrične snovi v ele-
ktričnem polju. Izračun sile je za poljubno velikost delca zahteven, če pa je
delec znatno manǰsi od valovne dolžine laserske svetlobe (Rayleighov režim),
ga lahko obravnavamo kot induciran električni dipol v električnem polju ~E.
Če zapǐsemo Lorentzovo silo ~F = e( ~E + ~v × ~B) na dipol ~p = α~E, pri če-
mer je α polarizabilnost delca, ki je odvisna od volumna delca ter lomnih
količnikov delca in okolice, lahko z uporabo vektorske analize in ene izmed
Maxwellovih enačb gradientno silo zapǐsemo kot ~F = 12α∇E
2. Sila kaže
v smeri gradienta intenzitete, torej proti gorǐsču laserskega snopa. Iz te
enačbe je očitno, zakaj je za optično past potreben močno fokusiran žarek.
Uporaba optične pincete
Skupina pod vodstvom Stevena Chuja je optično pinceto uporabila za lovlje-
nje in hlajenje atomov1, Arthur Ashkin pa je hitro ugotovil, da je pinceta
s svojo brezkontaktno naravo izjemno orodje za manipulacijo v bioloških
sistemih. Za čim manǰso absorbcijo laserske svetlobe v vodi je začel upora-
bljati infrardeč laser in z njim najprej demonstriral lovljenje in manipulacijo
1Za te prelomne eksperimente, pri katerih je sodeloval tudi Ashkin, je del Nobelove
nagrade za fiziko leta 1997 dobil samo Chu, kar je bilo za mnoge kontroverzno.
171–183 173
i
i
“Osterman” — 2019/2/15 — 7:41 — page 174 — #4 i
i
i
i
i
i
Natan Osterman
Slika 1. Optična pinceta. a) Princip delovanja v geometrijski optiki. Žarkom, ki vpadajo
s spodnje strani, se po dvojnem lomu spremeni smer in s tem gibalna količina. Prikazana
sta obosni žarek (1) in centralni žarek (2) z največjo intenziteto ter sili F1 in F2, ki delujeta
na delec zaradi spremembe njunih smeri. Rezultanta sil Fnet deluje proti gorǐsču snopa.
b) Tipična eksperimentalna postavitev. Laserski snop se razširi, usmeri s sistemom za
vodenje, nato pa z objektivom fokusira v ravnini vzorca, da nastane optična past. Lego
delcev se določa s kamero ali s kvadrantno fotodiodo. Prirejeno po [9].
virusov in živih celic [2], nato pa pokazal tudi manipulacijo znotrajceličnih
komponent.
Na začetku devetdesetih let preǰsnjega stoletja so v mnogih laboratorijih
po svetu zgradili svoje optične pincete predvsem za raziskave bioloških siste-
mov. Pinceta namreč ne omogoča samo manipulacije, temveč tudi merjenje
sil, ki delujejo na delec v optični pasti. Izkaže se, da je velikost gradientne
174 Obzornik mat. fiz. 65 (2018) 5
i
i
“Osterman” — 2019/2/15 — 7:41 — page 175 — #5 i
i
i
i
i
i
Optična pinceta in ustvarjanje ultrakratkih optičnih sunkov visokih intenzitet,
Nobelova nagrada za fiziko 2018
sile kar sorazmerna z odmikom delca od sredǐsča pasti, torej velja Hookov
zakon ~F = −k~x. Lego delca ~x se določi s kamero ali kvadrantno fotodiodo,
za kvantitativno določitev sile pa je treba poznati še trdoto »vzmeti« k, kar
dosežemo s predhodno kalibracijo optične pasti. S pinceto je mogoče meriti
sile v območju od 0,1 pN do nekaj 100 pN, kar je ravno območje, v katerem
je mnogo relevantnih sil v mikrobiologiji in biokemiji.
Za merjenje sil na nivoju posameznih (bio-)molekul, je treba te najprej
pritrditi na ustrezne »opore«. To so po navadi steklene ali polistirenske
mikrokroglice, katerih površino se ustrezno kemijsko pripravi, da se nanje
veže želen tip molekul. Ta tehnika je npr. omogočila raziskave molekulskih
motorjev, molekul, ki pretvarjajo kemijsko energijo v mehansko delo in so
ključne za vse aktivno premikanje živih organizmov, od subceličnega nivoja
do premikanja celotnega organizma. Na kroglico je tako mogoče vezati mo-
lekulo kinezina, motornega proteina, ki vleče tovor znotraj evkariontskih
celic. Če se tako kroglico z optično pinceto prestavi do mikrotubula (zno-
trajcelični polimer, ki je neke vrste celična »cesta«), se kinezin pripne na
mikrotubul in začne korakati, kar lahko opazimo kot diskretno premikanje
kroglice. S pinceto je moč vleči kroglico tudi v nasprotno smer in tako
ugotoviti, s kolikšno silo lahko omenjeni motorni protein vleče tovor.
Danes se optična pinceta uporablja predvsem za proučevanje posame-
znih biomolekul (npr. določanje odvisnosti sila-razteg pri DNK, RNK, poli-
merih pod različnimi pogoji), študije biomolekulskih procesov (npr. meritev
adhezije med dvema bakterijama; opazovanje korakanja polimeraze RNK,
ki v procesu transkripcije kopira DNK v mRNK), mikroreologijo – merje-
nje mehanskih lastnosti mehkih snovi na mikronivoju, daleč najpogosteǰsa
uporaba pincete pa je natančna manipulacija in razvrščanje mikroobjektov.
Eksperimentalna postavitev
Shema tipične eksperimentalne postavitve optične pincete je prikazana na
sliki 1b). Laserski snop se najprej razširi, nato pa se mu s sistemom za
vodenje žarka spremeni smer. Preko dikroičnega zrcala, ki odbije lasersko,
prepusti pa vidno svetlobo, se ga usmeri na objektiv. Ta snop sfokusira,
kar v ravnini vzorca generira optično past, v katero se ujame delec, ki ima
lomni količnik večji od okolice. Prepuščena laserska svetloba, ki jo zbere
171–183 175
i
i
“Osterman” — 2019/2/15 — 7:41 — page 176 — #6 i
i
i
i
i
i
Natan Osterman
Slika 2. Mikroskopska slika množice mikrometrskih polistirenskih kroglic v vodi, ki so
ujete v optičnih pasteh [8].
kondenzorska leča, preko dikroičnega zrcala potuje na detektor položaja,
tipično je to kvadrantna fotodioda (QPD). Ker ujet delec deluje kot mala
leča, njegovi premiki zunaj gorǐsča laserskega snopa spreminjajo razmerja
svetlobe na segmentih QPD, iz česar je mogoče dobiti relativno lego delca
glede na center optične pasti in iz tega izračunati silo na delec. Za mikro-
skopijo vzorca je potrebno opisanim elementom dodati samo še osvetlitev
in kamero.
Mnogo eksperimentov zahteva uporabo več hkratnih optičnih pasti, kar
se doseže z deljenjem laserskega snopa. Pri holografski optični pinceti raču-
nalnǐsko ustvarjen hologram na prostorskemu modulatorju svetlobe (angl.
spatial light modulator) vhodni snop razdeli v več snopov, ki imajo gori-
šča v poljubnih točkah, ki niso omejene na eno samo ravnino (tako je npr.
mogoče ujeti mikrodelce v oglǐsča navidezne kocke). Druga vrsta deljenja
snopa pa je časovno deljenje, pri katerem je snop za kratek čas usmerjen v
prvo točko, nato v drugo, tretjo . . . potem pa se zaporedje ponovi. Če je
trajanje celotnega zaporedja kratko v primerjavi z difuzijskim časom ujetih
delcev, nastane več kvazistatičnih optičnih pasti. Snop je mogoče usmerjati
z ogledali (galvoskenerji), kar je počasna in nenatančna varianta, ali pa z
akusto-optičnimi deflektorji (AOD), ki omogočajo preklapljanje lege gori-
šča žarka s frekvenco reda 100 kHz in subnanometrsko natančnostjo. Na
sliki 2 je prikazan rezultat takšne mikromanipulacije delcev: množica poli-
176 Obzornik mat. fiz. 65 (2018) 5
i
i
“Osterman” — 2019/2/15 — 7:41 — page 177 — #7 i
i
i
i
i
i
Optična pinceta in ustvarjanje ultrakratkih optičnih sunkov visokih intenzitet,
Nobelova nagrada za fiziko 2018
stirenskih kroglic v vodi, od katerih je vsaka ujeta v svojo optično past.
V trenutku, ko pasti izklopimo, kroglice prosto difundirajo po tekočini,
zato napis v nekaj sekundah izgine. Video posnetek si lahko ogledate na
strani [8].
Optična pinceta v Sloveniji
V devetdesetih letih preǰsnjega stoletja je bila optična pinceta še precej ek-
sotičen znanstveni instrument, zato si je vsaka raziskovalna skupina morala
pinceto zgraditi sama, kar je bilo časovno precej potratno. Okoli leta 2000
so se posledično na trgu pojavile prve komercialne pincete za resno uporabo.
Približno ob istem času sta na Fakulteti za matematiko in fiziko Univerze v
Ljubljani raziskovalca dr. Igor Poberaj in dr. Dušan Babič dobila idejo, pro-
stor in potrebna denarna sredstva za postavitev prve optične pincete v tem
delu Evrope. Leta 2003 je njuna pinceta, ki se je raztezala na 3 m2 optične
mize in bila sestavljena iz IR-laserja (Nd-YAG, λ=1064 nm, P=2 W), sis-
tema za vodenje in časovno deljenje snopa z AOD ter Zeissovega invertnega
optičnega mikroskopa, prvič ujela mikrometrske steklene kroglice v vodi.
Obiskovalci laboratorija so bili navdušeni nad delovanjem pincete, prav po-
seben interes pa so kazali za sistem za vodenje, zato sta leta 2004 omenjena
raziskovalca ustanovila podjetje Aresis, d. o. o. in takoj uspešno prodala tak
sistem. Kmalu so se pojavile tudi želje po izvedbi celotne optične pincete
po sistemu »na ključ«, zato je podjetje razvilo tudi to in po desetletju in
pol razvoja Aresis trenutno proizvaja in trži ene izmed najbolǰsih optičnih
pincet na svetu.
Zaradi omenjenih okolǐsčin imamo v Sloveniji kar nekaj optičnih pincet,
ki jih uspešno uporabljamo. Dve pinceti sta v Laboratoriju za eksperimen-
talno fiziko mehke snovi na FMF, tri pincete na Odseku za fiziko trdne snovi
Instituta Jožef Stefan in dve pinceti na Inštitutu za biofiziko Medicinske fa-
kultete UL.
Metoda za ustvarjanje ultrakratkih laserskih sunkov visokih
intenzitet
Theodore Maiman je leta 1960 demonstriral prvi laser. To je bil rubinski
laser, ki je ob vsakem blisku črpalne bliskavice oddal približno milisekundo
171–183 177
i
i
“Osterman” — 2019/2/15 — 7:41 — page 178 — #8 i
i
i
i
i
i
Natan Osterman
Slika 3. Povečevanje intenzitete laserskih sunkov skozi čas.
trajajoč sunek rdeče svetlobe z valovno dolžino 694,3 nm. Od te točke je
razvoj laserjev potekal v dveh smereh. Na eni strani je bila prisotna želja
po frekvenčno ostrem kontinuiranem izvoru svetlobe, ki je potreben pri ra-
znovrstnih meritvah (metrologija, spektroskopija), na drugem pa po kratkih
in močnih laserskih sunkih. Slednje sta omogočili iznajdbi preklopa kvali-
tete laserskega resonatorja (angl. Q-switching) [6] in uklepanja faz (angl.
Mode-locking) [5, 4].
V prvem desetletju laserja je energija sunka iz fazno uklenjenega laser-
skega oscilatorja z začetne vrednosti 1 nJ z razvojem laserskih ojačevalni-
kov narasla za pet velikostnih redov (slika 3), hiter razvoj pa se je po letu
1970 občutno upočasnil. Kratki sunki z že relativno nizko energijo imajo
velike vršne intenzitete2, kar poškoduje material ojačevalnika in druge op-
tične komponente. Do poškodb pride zlasti zaradi nelinearnih procesov v
2Intenziteta oz. gostota svetlobnega toka j = 1
2
nc00|E0|2 je sorazmerna kvadratu am-
plitude jakosti električnega polja E0, hitrosti svetlobe v vakuumu c0, lomnemu količniku
medija n in dielektrični konstanti 0. Intenziteti svetlobnega toka s Sonca na Zemlji-
nem površju j = 1 kW/m2 v praznem prostoru tako ustreza jakost električnega polja
E0 = 868 V/m, laserju moči 1 W, sfokusiranemu na površino 1 µm
2, ustreza jakost
E0 = 2,7 · 106 V/m.
178 Obzornik mat. fiz. 65 (2018) 5
i
i
“Osterman” — 2019/2/15 — 7:41 — page 179 — #9 i
i
i
i
i
i
Optična pinceta in ustvarjanje ultrakratkih optičnih sunkov visokih intenzitet,
Nobelova nagrada za fiziko 2018
snovi, npr. samofokusiranja snopa zaradi Kerrovega pojava pri intenzitetah
svetlobe okoli GW/cm2.
Visokoenergijske sunke z intenziteto pod pragom poškodb so v sedemde-
setih in osemdesetih letih preǰsnjega stoletja lahko dosegli le s povečevanjem
premera laserskega snopa. Za to so bili potrebni veliki ojačevalniki, kar je
laserske sisteme naredilo ogromne, drage in so zaradi počasnega ohlajanja
ojačevalnikov omogočali zelo nizko frekvenco ponavljanja sunkov. Kot eks-
tremen primer lahko omenimo laboratorij Lawrence Livermore (Kalifornija,
ZDA), kjer so na koncu sedemdesetih let preǰsnjega stoletja začeli graditi
laser Nova. Sestavljalo ga je deset 180 m dolgih žarkovnih linij s premerom
ojačevalnikov približno pol metra in je nekajkrat na dan lahko ustvaril sunek
dolžine 2 ns z energijo 100 kJ.
Tehnika CPA
Nov zagon razvoju kratkih laserskih sunkov visokih intenzitet sta leta 1985
omogočila Donna Strickland in Gérard Mourou z uporabo tehnike CPA
(angl. chirped pulse amplification). Inspiracijo sta dobila iz radarske tehno-
logije, kjer so CPA uporabljali že od šestdesetih let. Zamisel je preprosta in
elegantna: ultrakratek sunek se najprej razširi v času za nekaj velikostnih
redov, s čimer se ustrezno zmanǰsa vršna intenziteta. Sunek se nato ojača,
v zadnji fazi pa se sunek stisne nazaj na začetno dolžino, kar posledično
prinese zelo veliko intenziteto.
Raziskovalca sta 150 ps trajajoč laserski sunek z energijo reda nJ iz fazno
uklenjenega Nd:YAG laserja poslala po 1,4 km dolgem optičnem vlaknu.
Zaradi normalne disperzije v vlaknu se je nizkofrekvenčni (rdeči) del sunka
širil hitreje od visokofrekvenčnega (modrega) dela. Na izhodu iz vlakna sta
posledično dobila 300 ps dolg čivk (angl. chirp), sunek, pri katerem se je –
tako kot pri čivkanju ptičev – frekvenca spreminjala s časom (slika 4). V
drugem koraku sta čivk ojačila v regenerativnem ojačevalniku Nd:steklo,
da sta dosegla energijo 1 mJ, nato pa ga s kompresorjem z dvojno mrežico
časovno stisnila na 2 ps.
Dolgo optično vlakno za transformacijo kratkega sunka v dolg čivk ni
zelo praktično, zato ga je kmalu nadomestil par uklonskih mrežic. Z njim
so leta 1987 demonstrirali razteg sunka trajanja 85 fs na 85 ps in skrčitev
171–183 179
i
i
“Osterman” — 2019/2/15 — 7:41 — page 180 — #10 i
i
i
i
i
i
Natan Osterman
Slika 4. Časovna odvisnost relativne jakosti električnega polja pri 20 fs dolgem čivku.
nazaj na začetno dolžino [7] ter pri tem poudarili, da bo to v prihodnosti
omogočilo laserske moči v območju petawattov. Takšna – danes standardna
– konfiguracija CPA je prikazana na sliki 5. Ultrakratek sunek iz laserskega
oscilatorja preko polarizacijskega delilnika žarka najprej potuje na prvi par
uklonskih mrežic, ki sta postavljeni v obliki črke Λ. Na prvi mrežici se
žarek razkloni, optika ga usmeri na drugo mrežico, ki deluje ravno obratno
– različno usmerjene frekvenčne komponente spet skombinira v en žarek. Ta
se v zrcalu odbije naravnost nazaj, tako da se proces razklona in kombinacije
še enkrat ponovi. Pri potovanju sunka skozi tako postavljen par mrežic
prepotuje rdeča svetloba manǰso pot od modre svetlobe, kar glede na to,
da je hitrost širjenja svetlobe po praznem prostoru neodvisna od valovne
dolžine, pomeni, da nizkofrekvenčne komponente (rdeči del spektra) v času
prehitijo visokofrekvenčne komponente (modri del spektra). Rezultat je
čivk, po času trajanja τc lahko do 10.000-krat dalǰsi od vhodnega svetlobnega
sunka.
Polarizacijski delilnik žarka čivk odbije in ga usmeri skozi enega ali
več ojačevalnikov (Ti:safir, Nd:steklo ali optično parametrično ojačevanje
v nelinearnem kristalu), pri čemer se mu energija poveča, a seveda tako,
180 Obzornik mat. fiz. 65 (2018) 5
i
i
“Osterman” — 2019/2/15 — 7:41 — page 181 — #11 i
i
i
i
i
i
Optična pinceta in ustvarjanje ultrakratkih optičnih sunkov visokih intenzitet,
Nobelova nagrada za fiziko 2018
Slika 5. Ustvarjanje ultrakratkih visokoenergijskih sunkov z metodo CPA.
da njegova vršna intenziteta jc ostane pod pragom poškodbe ojačevalni-
kov. Ojačan čivk je na koncu pod kotom usmerjen na drugi par uklonskih
mrežic, ki sta tokrat postavljeni vzporedno. Žarek se na prvi mrežici raz-
kloni, druga mrežica pa komponente z različnimi frekvenčnimi komponen-
tami usmeri tako, da padajo pravokotno na ogledalo. Posledično posamezne
komponente potujejo nazaj po natanko istih poteh in se zato na prvi mrežici
skombinirajo nazaj v en žarek. Pri opisanem procesu prepotujejo dolgova-
lovne komponente dalǰso pot od kratkovalovnih, kar pomeni, da bi modri del
spektra rdečega prehiteval v času, če bi na ta par mrežic prǐsel sunek, ki bi
imel vse komponente sočasne. Pri tehniki CPA pa imamo opravka s čivkom,
v katerem rdeči del spektra prehiteva modrega, zato se lahko z ustrezno na-
stavitvijo mrežic to prehitevanje kompenzira, tako da so vse komponente
spet sočasne. Rezultat je ultrakratek sunek dolžine τp z vršno intenziteto
jp = jcτc/τp.
171–183 181
i
i
“Osterman” — 2019/2/15 — 7:41 — page 182 — #12 i
i
i
i
i
i
Natan Osterman
Uporaba kratkih laserskih sunkov visokih intenzitet
Tehnika CPA je omogočila gradnjo kompaktnih laserskih sistemov z ultra-
kratkimi sunki velikih moči. Danes je moč direktno ustvarjati laserske sunke
dolžine nekaj fs, kar je tako kratek čas, da v njem električno polje le ne-
kajkrat zaniha. Kar se tiče moči, so bili sunki moči 1 PW prvič doseženi
leta 1999, danes pa je na svetu že več kot 50 laserjev take moči. Trenutni
rekord je 1 ps trajajoč sunek energije 2 kJ, torej moči 2 PW. Pri Pragi
v okviru evropskega projekta Extreme Light Infrastructure gradijo laser 4
Aton z energijo sunkov 2 kJ in dolžino pod 150 fs, kar pomeni, da bo moč
sunkov 10 PW. Laser bo lahko »ustrelil« en sunek na minuto. Načrtovana
vršna intenziteta fokusiranega sunka reda velikosti 1023 W/cm2 ustreza ja-
kosti električnega polja 1014 V/m – za primerjavo, to je kar 200-krat več
od električnega polja v vodikovem atomu pri Bohrovem radiju. Če je jakost
električnega polja svetlobe primerljiva z jakostjo polja, ki v atomu veže ele-
ktrone, nastopi t. i. režim »močnega polja« atomske fizike. V tem režimu
lahko atom ionizira s hkratno absorbcijo več fotonov, zato izbiti elektron
odleti z ogromno kinetično energijo.
Sistemi na osnovi laserjev s CPA se uporabljajo tudi za ustvarjanje vǐs-
jih harmonikov. Na ta način lahko ustvarimo sunke, kraǰse od 1 fs, kar
omogoča raziskave dinamike elektronov znotraj atomov in molekul, ki po-
teka na attosekundni časovni skali. Laserska svetloba zelo visoke intenzitete
lahko ustvari plazemski val za pospeševanje elektronov do velikih energij na
kratkih razdaljah. V laboratoriju Lawrence Berkeley (ZDA) so s sunkom
moči 0,3 PW pospešili elektrone do energije 4,2 GeV na razdalji 9 cm. V
klasičnih linearnih pospeševalnikih, v katerih elektrone pospešuje radiofre-
kvenčno valovanje, je tipično povečanje energije 15 MeV/m, torej bi za 4,2
GeV potrebovali 280 m dolg pospeševalnik!
Laserji z visokointenzitetnimi ultrakratkimi sunki so razširjeni tudi v
industriji in medicini, najpogosteǰsa uporaba pa je za natančno ablacijo
materiala. Zaradi kratkega trajanja sunka je segrevanje materiala minimizi-
rano, zato je okolica interakcijskega volumna praktično nepoškodovana. Za
primer, vrtanje 10 µm luknje z 1 ps sunki v tanko plast zlata naredi stene
luknje neravne na velikostni skali pod 100 nm. Če za isti namen uporabimo
182 Obzornik mat. fiz. 65 (2018) 5
i
i
“Osterman” — 2019/2/15 — 7:41 — page 183 — #13 i
i
i
i
i
i
Optična pinceta in ustvarjanje ultrakratkih optičnih sunkov visokih intenzitet,
Nobelova nagrada za fiziko 2018
100 ps sunke, so stene luknje neravne na mikrometrski skali, saj se med
obdelavo okolǐska kovina stali, tvori kapljice, nato pa se spet strdi.
V medicini so femtosekundni laserji zaradi brezkontaktne narave in ne-
destruktivnosti okolǐskega tkiva vedno bolj prisotni pri operacijah kratkovi-
dnosti, dolgovidnosti ali astigmatizma očesne leče. Namesto s skalpelom pri
metodi LASIK operater naredi režo v roženico z računalnǐsko vodenim fem-
tosekundnim laserjem, nato pa skozi nastalo odprtino z excimernim laserjem
s fotoablacijo preoblikuje površino sredice roženice in tako spremeni njeno
zakrivljenost ter s tem dioptrijo očesa. Zadnji dosežek na področju laserske
operacije kratkovidnosti je metoda SMILE, pri kateri je uporabljen samo en
femtosekundni laser. Ta v tkivo roženice vreže tanek okrogel disk primerne
oblike ter v roženico napravi 4 mm dolgo režico, skozi katero operater disk
potegne ven. S tem je dioptrija odpravljena, okrevanje pa še hitreǰse kot pri
operaciji LASIK.
LITERATURA
[1] A. Ashkin, Acceleration and Trapping of Particles by Radiation Pressure, Physical
Review Letters 24 (1970), 156–159.
[2] A. Ashkin in J. M. Dziedzic, Optical Trapping and Manipulation of Viruses and
Bacteria Science 235 (1987), 1517–1520.
[3] A. Ashkin, J. M. Dziedzic, J. E. Bjorkholm in S. Chu, Observation of a Single-Beam
Gradient Force Optical Trap for Dielectric Particles, Optics Letters 11 (1986), 288–
290.
[4] M. DiDomenico, Small-Signal Analysis of Internal (Coupling-Type) Modulation of
Lasers, Journal of Applied Physics 35 (1964), 2870–2876.
[5] L. E. Hargrove, R. L. Fork in M. A. Pollack, Locking of He–Ne laser modes induced
by synchronous intracavity modulation, Applied Physics Letters 5 (1964), 4–5.
[6] F. J. McClung in R. W. Hellwarth, Giant Optical Pulsations from Ruby, Journal of
Applied Physics 33 (1962), 828–829.
[7] M. Pessot, P. Maine in G. Mourou, 1000 Times Expansion/Compression of Optical
Pulses for Chirped Pulse Amplification, Optics Communications 62 (1987), 419–421.
[8] Laboratorij za eksperimentalno fiziko mehke snovi, dostopno na tweezers.fmf.
uni-lj.si/opticna-pinceta/, ogled 21. 12. 2018.
[9] Optična pinceta, dostopno na: sl.wikipedia.org/wiki/Opticna_pinceta, ogled 21.
12. 2018.
[10] The Nobel Prize in Physics 2018, dostopno na www.nobelprize.org/prizes/
physics/2018/, ogled 21. 12. 2018.
171–183 183