Игры с лазерным светом

Нобелевскую премию 2018 года по физике получили француз Жерар Муру и канадка Донна Стрикланд за создание во время работы в Рочестерском университете лазеров со сверхмощными импульсами, а за использование лазерного света для манипуляции сверхмаленькими предметами вроде молекулы белка или клетки бактерии — американец Артур Эшкин, работавший в «Белл лабораториз».

Свет в резонаторе

Художник С.Дергачев

Его главная часть — резонатор, заполненный оптически активной средой. У составляющих ее атомов тем или иным способом, например светом, возбуждают электроны, которые переходят на более высокие энергетические уровни. По мере такой накачки возникает инверсная заселенность — число возбужденных атомов превышает число атомов, электроны которых находятся в состоянии с низкой энергией. Эта ситуация совершенно ненормальна с точки зрения термодинамики и крайне неустойчива: при малейшем воздействии атомы сбрасывают возбуждение в виде квантов излучения. Если этот процесс происходит не спонтанно, а под влиянием какого-то стимула, формируется лавина фотонов. Поскольку они возникают практически одновременно, такой свет оказывается когерентным — составляющие его волны имеют одну фазу, и длины этих волн весьма близки.

В принципе, можно получить лазер непрерывного действия — пока световая лавина захватывает новые атомы, предыдущие снова возбуждаются и готовятся излучать новые кванты. В таком лазере, для получения высокой энергии излучения, надо увеличивать число возбужденных атомов, то есть делать объем активной среды достаточно большим, чтобы она поглотила значительную энергию накачки. В частности, подобные устройства предполагались для программы звездных войн — размещенные на околоземной орбите лазеры можно было делать столь крупными, чтобы они поглощали и преобразовывали в излучение энергию взрыва атомной бомбы.

Когда же речь идет о портативных устройствах, такой способ не годится. Поэтому возникает альтернативная идея — накапливать лазерный свет, а излучать его в виде импульсов по мере достижения требуемого уровня энергии. Для этого требовалось собрать внутри активной среды все фотоны, ведь возбужденные атомы начинают их излучать все-таки не совсем одновременно. Для этого формируют оптический резонатор: в простейшем случае оптическую среду с обоих торцов закрывают зеркалами, причем по крайней мере одно из них — полупрозрачное. Часть излученных фотонов сквозь него пройдет, но часть отразится назад и создаст стоячую волну — она выйдет из резонатора, когда все атомы испустят свои фотоны. Так получится световой импульс, энергия в котором распределится в виде колокола на всей его протяженности.

Сжатие света

Для того чтобы увеличить мощность этого импульса, в 60-х годах был придуман метод, который назвали Q switching, или модуляция добротности, где Q — показатель добротности резонатора. Если сделать ее маленькой, активная среда не сможет перейти в режим излучения, и так удастся накопить большое число атомов в состоянии инверсной заселенности. После же восстановления добротности лазерный импульс сформируется очень быстро и заберет всю накопленную энергию. Добротность можно менять механически — перемещением зеркал, встраиванием поляризатора либо размещая в резонаторе материал, который пропускает свет только после того, как он достиг высокой интенсивности. В частности, такую роль выполняет кристалл иттрий-алюминиевого граната с добавками хрома, встроенный в кристалл из того же граната, но с добавками неодима, который и генерирует лазерный луч. Этим лазером получают наносекундные импульсы достаточно большой мощности, чтобы ими можно было обрабатывать металлы. Гордону Гулду, предложившему модуляцию добротности в 1958 году, а также Роберту Хеллварту и Фреду Мак-Клангу, продемонстрировавшим возникновение гигантского импульса в рубиновом лазере в 1961—1962 годах, Нобелевскую премию не дали.

Вторым способом получения сверхкоротких импульсов стала синхронизация мод. Работает этот способ так. В зависимости от свойств излучающих атомов лазерный свет необязательно будет содержать только одну длину волны, он всегда состоит из волн какого-то интервала. Бывает, что его величина — сотые доли нанометра, а бывает, что он охватывает десятки нанометров (спектр видимого света — 300 нм). Соответственно, в резонаторе может возникать не одна стоячая волна, а несколько. Их число зависит от длины резонатора и от протяженности спектра: выживают те волны — их называют моды, — у которых в длину резонатора укладывается целое число волн. Если каждая из этих стоячих волн имеет свою фазу — ничего интересного при их сложении не произойдет. Но добившись, чтобы фазы у всех волн в резонаторе стали одинаковыми (это и называется синхронизацией мод), можно обеспечить их интерференцию и вся энергия излучения соберется в небольшом числе мод. И тогда получится мощный и относительно короткий импульс — его продолжительность все-таки будет определяться длиной резонатора.

Как же моды синхронизировать? Например, поставить внутрь резонатора оптико-механический модулятор: колеблясь с определенной частотой, он воздействует всего-то на один процент образующихся фотонов, однако этого хватает для того, чтобы промодулировать весь свет, заключенный в резонаторе. Очень важным этапом оказалось использование вещества-просветлителя, как правило, жидкого. Кювету с ним помещали внутрь резонатора, и в проходящем сквозь нее свете происходили сильные изменения — слабые моды ослаблялись, а сильные — еще более усиливались. Причем ничего механически колебать не надо — какие-то моды лазерного света в силу случайных причин обязательно будут сильнее других. Вот эти флуктуации при многократном прохождении сквозь вещество-просветлитель и станут доминировать. В результате в лазере формируется импульс света, составленный из цуга очень коротких импульсов, — каждый из них получается из усилившейся флуктуации, в которую перетекала энергия исчезнувших слабых мод. К тому времени как раз появились лазеры, способные давать широкий спектр излучения с большим числом мод, и это сыграло на руку, поскольку чем больше мод, тем короче получается исходящий импульс. В конце концов его продолжительность перестала зависеть от длины резонатора и стала определяться временем релаксации вещества-просветлителя. Изучение феномена показало также, что такой лазер обладает двумя порогами генерации излучения: если энергия накачки оказывалась выше первого порога, возникало обычное излучение, а при превышении второго — как раз и получался ультракороткий импульс высокой мощности. При этом возникал эффект самофокусировки — флуктуации, лежащие в середине импульса, усиливались в большей степени, чем расположенные на его краях, форма импульса переставала напоминать колокол.

Продолжительность импульсов в системах с просветляющей оптикой измерялась уже в триллионных долях секунды, пикосекундах, но это было еще слишком долго. Тем временем настало время лазеров на органических люминесцентных красителях. Их накачивали светом другого лазера, и краситель, например родамин, давал усиление света в широком спектральном диапазоне, а как уже было упомянуто — чем шире спектр, тем более узкий импульс можно получить. Система с их использованием включает в себя две кюветы, через которые с огромной скоростью прокачивают струю жидкости с красителем и струю с веществом, которое просветляет излучение; так продолжительность импульса удалось сократить уже до одной пикосекунды. Питер Сорокин и Фриц Шафер, в 1966 году независимо придумавшие лазер на органических красителях, Нобелевскую премию, впрочем, не получили.

Фемтосекунды достигнуты!

Дальнейшая хитрость состояла в изготовлении кольцевого резонатора — с помощью призм и зеркал свет заставили циркулировать по замкнутому контуру в обоих направлениях. В результате столкновения двух встречных световых волн удалось снизить продолжительность импульса уже до сотни фемтосекунд. Это оказалось столь мало, что пришлось учитывать дисперсию света — зависимость скорости света от длины волны; из-за нее импульс при многократном перемещении по резонатору размывается — возникает так называемый чирп (запомним это слово). Пришлось ввести в систему компенсаторы, которые замедляли синюю и ускоряли красную части импульса. Так удалось снизить продолжительность уже до десятков фемтосекунд.

Лазеры на красителях работали вполне надежно и развивались в двух направлениях: мощные с пикосекундными импульсами и слабые, но с фемтосекундными. Этим вторым на смену пришли твердотельные лазеры с вибронными кристаллами. Например, с сапфиром, в который добавлены ионы титана. Титан поглощает практически весь свет накачивающего лазера и затем его переизлучает. Особенность же такого кристалла в том, что ионы титана сильно связаны с решеткой сапфира; из-за этого колебания решетки сдвигают энергии электронных уровней у каждого иона в свою сторону — у излученного ими света спектр оказывается широким. То есть опять-таки возникают предпосылки для сильного сжатия светового импульса.

Работали такие вибронные твердотельные лазеры надежнее жидкостных и были гораздо компактнее. Однако у них есть серьезный недостаток: время восстановления исходного состояния излучающих атомов у них исчислялось пикосекундами и сделать импульс короче не представлялось возможным. С помощью хитрых приемов, например использования дополнительных резонаторов, удалось преодолеть границу в 200 фемтосекунд, но этот путь оказался тупиковым. Настоящий прорыв состоялся, когда было обнаружено, что вследствие оптического эффекта Керра — сильной зависимости показателя преломления от интенсивности света — в титан-сапфировом лазере возникает эффект самофокусировки и самомодуляции: сформировавшиеся в резонаторе моды сами начинают синхронизироваться по достижении достаточно большой мощности. Главное преимущество этого эффекта в том, что у него релаксация происходит мгновенно, то есть нет никаких технических ограничений на длительность импульса. Первыми импульс титан-сапфирового лазера в 1991 году сократили сначала до 60, а потом и до 35 фемтосекунд Дэвид Спенс и Уилсон Сиббет из шотландского Университета Святого Андрея («Optics Letters», 1991, 16, 1, 42—44), однако и они не получили Нобелевскую премию.

Тем не менее не обошлось и без проблем. В вибронных лазерах нет изначального механизма усиления отдельных флуктуаций интенсивности световой волны, наоборот, они подавляются. Поэтому к вибронным кристаллам прилагается некое инициирующее устройство — либо просветляющий поглотитель, либо какое-то механическое устройство, которое колеблет одно из зеркал резонатора, создавая необходимый для развития флуктуаций шум. Вторая проблема — лазер накачки должен работать очень стабильно, иначе режим генерации фемтосекундных импульсов срывается. Такая система обходится дорого, поэтому вибронные лазеры служат сейчас главным образом для исследовательских целей. А практическое использование получили лазеры четвертого поколения — волоконные. Их можно накачивать светом дешевого светодиода, а генерация излучения осуществляется атомами переходных металлов — эрбия, неодима, иттербия, внедренными в структуру оптического волокна. И вот тут-то мы подходим собственно к тому, за что присудили половину Нобелевской премии 2018 года по физике.

Космическая мощность

Энергия фемтосекундного импульса, получаемого в любом из перечисленных лазеров, невелика, она исчисляется наноджоулями. Ее можно увеличить, пропустив через достаточно протяженную активную среду; при этом в усиливаемый импульс переходит энергия, которая этой средой накоплена за счет предварительной накачки. Однако такое увеличение возможно отнюдь не до бесконечности. Дело в том, что при всей малости энергии импульса его мощность — энергия в единицу времени — огромна именно из-за того, что продолжительность импульса чрезвычайно мала. А выделение тепла, как и вообще все результаты взаимодействия излучения со средой, зависят именно от мощности. Поэтому по мере роста энергии короткого импульса начинается разрушение самой усиливающей среды. Кроме того, возникают неприятные нелинейные эффекты, когда результат воздействия мощного света оказывается много сильнее, чем следовало ожидать, глядя на действие слабого. В 1985 году Жерар Муру со своей аспиранткой Донной Стрикланд («Optics Communications», 1985, 56, 219, полный текст) предложили использовать тот самый чирп — размывание импульса из-за дисперсии, — с которым столь тщательно боролись на предыдущем этапе. Вот они в этой долгой истории борьбы за мощный импульс лазера наконец-то получили Нобелевскую премию.

Первоначально размывание импульса происходило само по себе при движении света в оптическом волокне. При этом росла продолжительность импульса и, соответственно, падала мощность. Такой широкий импульс можно было хорошо усилить, а затем с помощью оптического конденсатора снова сжать и получить огромный рост мощности. Вскоре, впрочем, физики перестали полагаться на свойства вещества оптического волокна по собиранию-разбиранию чирпа и для расширения-сжатия импульса стали применять дифракционные решетки. Так эта схема работает по сей день. Вот как она выглядела в упомянутой нобелевской работе 1985 года. Источником света служил неодимовый лазер. Его излучение поступало в оптическое волокно длиной в полтора километра, в котором формировался чирпированный импульс длительностью в триста пикосекунд. Его усиливали, пропуская через легированное неодимом стекло, до энергии в миллиджоули, то есть где-то в миллион раз, а затем, пропуская через дифракционные решетки, сжимали до длительности в полторы пикосекунды.

Используя эффект Керра, сейчас аналогично получают фемтосекундные импульсы, а их мощность может быть колоссальна настолько, что позволяет человеку вмешиваться в деятельность внутриядерных сил, например вызывать деление или слияние ядер. Вот как устроен американский лазер, построенный в 1999 году в Лоуренсовской национальной лаборатории. Источником света в нем служит титано-сапфировый лазер. Выдаваемый им импульс растягивают до огромной продолжительности — наносекунды. Затем его пропускают через систему стержней и дисков из неодимового стекла, каждый из которых предварительно накачивают с помощью импульсных ламп. При этом диаметр пучков получаемого света велик — 35 см. Процесс небыстрый — получается всего один гигантский импульс в час. Сформированный импульс поступает в вакуумную камеру, где расположены дифракционные решетки метрового размера, и там сжимается до продолжительности в сотни фемтосекунд. В результате мощность измеряется в петаваттах, а плотность энергии составляет 10²¹ Вт/см². Предполагается, что, бомбардируя шарик из замороженного дейтерия такими импульсами, можно так сжать вещество силой света, что в нем начнется термоядерный синтез. Правда, пока эту концепцию реализовать не удалось. А вот электроны такой лазер разгоняет в сотни раз лучше, чем имеющиеся ускорители элементарных частиц: энергии 4,2 ГэВ они достигают, пролетев всего 9 сантиметров, а не много метров. То есть ускоритель получается очень компактным. Есть идеи аналогично разгонять и протоны. В случае удачи задача получения всевозможных изотопов для медицинских и технических целей резко облегчится, а сами изотопы значительно подешевеют.

Фемтосекундные лазеры — важный инструмент, используемый в нашей технической цивилизации. Специалисты укажут различные методы исследования и обработки материалов, ставшие возможными благодаря их появлению, а для обычного человека наиболее видимым приложением окажется офтальмология — эти лазеры обеспечили массовые операции по улучшению зрения: исправлению близорукости и астигматизма. Фемтосекундный импульс с его огромной мощностью, но малой, порядка наноджоулей, энергией легко испаряет слои сетчатки, исправляя ее конфигурацию, и при этом практически не нагревает внутренние ткани глаза, то есть, не разрушает их.

К аттоимпульсам

Несколько фемтосекунд — предельно малая продолжительность, которую может иметь импульс света в видимом диапазоне, потому что она оказывается сравнима с периодом колебания световой волны. Однако такой импульс можно использовать для генерации еще более коротких импульсов. Соответствующую схему предложил в 1993 году физик-теоретик Пол Коркум из Оттавского университета. Суть ее такова.

Фемтосекундный лазер дает импульс, мощность которого сравнима с мощностью полей, существующих внутри атома; воздействие такого импульса на атом никак нельзя считать неким возмущением — при столкновении он действует на электроны ничуть не в меньшей степени, чем само ядро атома. Поэтому электрическое поле световой волны легко увлекает за собой электроны прочь от ядра. И оно бы их оторвало совсем, если бы не изменило своего направления вследствие того, что световая волна вошла в другой полупериод. И такое поле станет электроны подталкивать в обратную сторону, то есть к ядру атома. При движении электроны приобретают огромную скорость, а теряют ее мгновенно при столкновении с атомом. В этот миг вся полученная при разгоне кинетическая энергия и обратится в световой импульс, продолжительность которого тем меньше, чем меньше время торможения электрона при ударе. Так получается не всегда, ведь электрон может оторваться от атома и потеряться. Но если он вернулся назад, получится как раз импульс продолжительностью в аттосекунды (ас). Когда порождающий импульс достаточно длителен, этот трехстадийный процесс станет повторяться много раз и получится цуг аттосекундных импульсов, продолжительность которого будет все-таки меньше, чем у родителя. Например, из 3,3-фемтосекундного импульса получаются кратчайшие на сегодня импульсы по 80—60 ас.

С помощью разных хитростей можно заблокировать генерацию цуга. И тогда выйдет один-единственный аттосекундный импульс. Его можно использовать для изучения поведения электрона в атомах, ведь период обращения электрона в атоме водорода (если рассуждать в терминах классической, а не квантовой физики) составляет 150 ас. Другое важное приложение — сверхточные лазерные часы, позволяющие мерить время с непревзойденной точностью; сейчас на них достигнута точность в 200 ас, но технического предела для ее повышения нет.

Пока что интенсивность и мощность подобных систем невелики, рекорд — одиночный импульс мощностью 2,1 нДж и продолжительностью 155 ас («Nature Photonics», 2010, 4, 875—879), да и имеются подобные системы в дюжине лабораторий. Однако теоретики работают над тем, чтобы найти способ надежной генерации мощных и интенсивных импульсов сверхмалой продолжительности и, несомненно, рано или поздно достигнут тех же успехов, что позволили создать всю фемтосекундную лазерную технику.

Инструмент для Левши

Третий лауреат Нобелевской премии по физике 2018 года, Артур Эшкин, не ломал голову над достижения рекордных параметров лазерного излучения. Он, проявив немалую хитроумность, создал из лазерного света инструмент, который, несомненно, пригодился бы лесковскому Левше для массового подковывания блох. Этот инструмент позволил бы ему не только зафиксировать лапку блохи и прецизионно совместить с ней подкову, но и правильно расположить даже нужные для крепления гвозди, а потом забить их по самую шляпку. Более того, при желании с помощью все того же инструмента Эшкина талантливый мастеровой мог бы вынуть гвозди и блоху перековать новой подковой после износа старой.

Вообще, создатели инструментов для манипулирования подобными сверхмалыми объектами оказались в большей чести у Нобелевского комитета, нежели непосредственные творцы лазерной техники. Тут и Вольфганг Пауль со своей радиочастотной ловушкой для удержания одиночного иона и электрона (премия 1989 года), тут и Стивен Чу (премия 1997 года) с оптической патокой для сверхглубокого охлаждения отдельных атомов, придуманной в том числе нелауреатом В. С. Летоховым, тут и Герд Бинниг (премия 1986 года) — изобретатель туннельного и атомно-силового микроскопа — щупом последнего можно двигать микроскопические объекты, в том числе отдельные атомы или молекулы. В частности, в группе Б. Р. Шуба из Института химической физики им. Н. Н. Семенова РАН таким микроскопом измеряют механические свойства отдельных макромолекул, например ДНК.

Эшкин же решил использовать свет. В его манипуляторе, названном оптическим пинцетом, действуют две силы. С одной стороны, это удивительное давление света, открытое благодаря тончайшим опытам П.Н. Лебедева в 1899 году, а спустя два года — Эрнеста Николса и Гордона Халла. Удивительно оно потому, что частица света — фотон — не имеет массы покоя и, стало быть, не должна обладать способностью передавать импульс какому-то вещественному телу, ведь этот импульс считается как масса, умноженная на скорость. Однако уравнения Максвелла, равно как и уравнение Эйнштейна — m=E/c² — такую возможность дают, что и подтвердили измерения.

В руках экспериментаторов начала XX века были лишь слабые источники обычного света. Но появление лазеров в 60-х годах все изменило — создаваемые ими мощные световые импульсы оказались способны создавать высокое давление (чего стоит уже упомянутая способность сжимать вещество так, чтобы создать условия для термоядерной реакции!). Эшкин в начале 70-х годов и обнаружил, что давления лазерного света вполне хватает, чтобы перемещать микронные частицы. Соответственно, двумя встречными лучами, давящими частицу в противоположных направлениях, можно ее схватить, а затем, меняя интенсивность лучей, перемещать в нужную сторону. Интересно, что частица сама собой не выпадает из такого захвата: если ее показатель преломления больше, чем у окружающей среды (а все опыты такого рода ставят в воде или в масле), то возникнет так называемая градиентная сила, которая вталкивает ее внутрь с периферии лазерного луча.

Затем Эшкин опробовал пинцет с одним лучом в воздухе — он был направлен вверх, и давление света уравновешивалось силой гравитации. Эта идея, однако, не сработала: броуновское движение легко выталкивало частицу из захвата. И вот в 1986 году пришел успех — получился работоспособный пинцет из одного луча. Для этого применили оптическую хитрость — свет, пропущенный через линзу, формировал градиентную силу, которая в месте расположения захватываемой частицы была направлена против давления света и компенсировала его. Поскольку в качестве такой линзы удалось использовать объектив микроскопа, средство манипуляции микрообъектами совместили со средством их наблюдения, что резко упростило использование оптических пинцетов и дало возможность изготовителям микроскопов без особого труда предложить исследователям эту полезную приставку к своим серийно выпускаемым приборам.

Оптический пинцет позволяет манипулировать частицами размером от нанометров до десятков микрон. Это как раз размер различных биологических объектов — крупных молекул, вирусных частиц или отдельных клеток. Поскольку энергия излучения невелика, эти объекты не страдают от оптических захватов и остаются живыми и невредимыми во время и после изучения. Вот к этим исследованиям Эшкин и попытался приспособить свое изобретение, что проложило путь для тончайших экспериментов. Так была выяснена механика движения жгутиков у бактерий и измерена развиваемая таким жгутиком тяга, была измерена прочность и упругость молекулы ДНК, изучена динамика движения удивительных белков — молекулярных моторов. Подобно созданному человеком механизму, такой белок, например кинезин, самостоятельно передвигается по нитям цитоскелета внутри клетки и перетаскивает полезную нагрузку. В соответствующих опытах полезной нагрузкой на них были полистироловые шарики, за которые и хватались оптические пинцеты.

Подобные шарики, нанеся на их поверхность соответствующие молекулы, можно прицеплять к совершенно определенным участкам белков или нуклеиновых кислот. В руках биохимиков оказался точнейший инструмент изучения молекул жизни. С помощью оптических пинцетов удалось даже впрямую наблюдать процесс считывания ДНК с помощью РНК, причем с разрешением в несколько ангстрем — размер одного нуклеотида.

Впоследствии были созданы совсем уж удивительные пинцеты, в которых микрообъекты двигались против светового давления, — для этого их поверхность, например, покрывают флюорофором. Именно таким пинцетом гипотетический Левша мог бы вытаскивать гвозди из лапок блохи. Реальные нанотехнологи до таких чудес еще не дошли, но узоры из наночастиц с помощью оптических пинцетов они уже научились выкладывать.

В отличие от фемтосекундных импульсов, оптические пинцеты Эшкина пока что остаются инструментом для проведения разного рода фундаментальных исследований. Однако специалисты надеются, что в будущем они станут практически важным инструментом нанотехнологий, применимых как к живой, так и к неживой материи.

Эта статья доступна в печатном номере "Химии и жизни" (№ 11/2018) на с. 3 — 6.