Как лазерная технология, получившая Нобелевскую премию по физике в 2018 году, вошла в нашу повседневную жизнь?
Что такое "усиление чирпированных импульсов"?
Усиление чирпированных импульсов (или CPA) - это способ усиления лазерного импульса без разрушения усиливающей среды или, другими словами, материала, через который проходит лазерный импульс, что, в свою очередь, предотвращает дальнейшее усиление.
Использование лазеров
Лазеры являются когерентными пучками излучения, что означает, что все частицы света покидают свой источник в унисон и в одном направлении (по сравнению, например, с фонариком, который посылает рассеянный свет во всех направлениях). Идеальный лазер также монохроматичен, что означает, что он излучает только на одной длине волны или частоте, а для некоторых применений лазера требуется, чтобы лазер был как можно ближе к одноцветному, насколько это физически возможно. Тем не менее, другие приложения, такие как те, которые требуют перестраиваемого или сверхбыстрый лазер, использовать лазеры с излучением в диапазоне частот или цветов, как титан-сапфировый лазер. В любом случае, сфокусированная, высокоэнергетическая природа лазеров делает их идеальными инструментами, когда требуется точность, например, для точных разрезов в человеческом теле или для удаления нежелательных материалов в производстве.
Раньше наше использование лазеров ограничивалось более слабыми лазерами не потому, что мы не могли создать более мощные версии, а потому, что результирующее лазерное излучение попадало в нелинейный режим. Результирующие импульсы высокой энергии могут разрушить то, что их окружает, а иногда и само оборудование может быть повреждено. Желаемые свойства оригинального лазерного луча также могут быть изменены, что может повлиять на точность лазера, часто - на весь смысл использования такого сфокусированного излучения в первую очередь.
CPA позволило использовать более мощные лазеры без этих потенциально вредных побочных эффектов и, таким образом, расширило возможности прочности и использования лазера. В качестве дополнительного бонуса использование технологии CPA привело также к более компактному лазерному оборудованию.
Механизм работы CPA
Более подробное описание начинается с начального короткого импульса, который посылается через пару решеток или призм - вы можете подумать о игрушке, которая была у вас в детстве, которая разделила белый свет на отдельные компоненты цвета, чтобы вы увидели радугу. Эти решетки рассеивают свет импульса или рассеивают его во времени в 1,000-100,000 раз. Они достигают такого распределения, посылая низкочастотные компоненты импульса (похожие на красные цвета) по более короткому пути, чем высокочастотные компоненты импульса (похожие на синие цвета). Лазерный импульс теперь считается "щебетающим", поскольку высокочастотные компоненты запаздывают, что приводит к увеличению длительности импульса.
Импульс теперь длиннее и имеет меньшую мощность, поэтому его можно усиливать без потери сигнала или информации. Как только импульс усиливается, в результате получается импульс с более высокой энергией, но все же длительный, поэтому он может более безопасно проходить через свою среду. Затем этот длинный, усиленный импульс посылается через вторую пару решеток, которая, в сущности, отменяет работу первой пары решеток: импульс со временем перекомпрессируется, в результате чего получается усиленный вариант его исходного состояния.
Зачем нужно усиление чирпированных импульсов?
Технология CPA может звучать немного неясно, но она используется во многих распространенных областях применения лазеров, в том числе в исследованиях, промышленности, медицине и коммерческом производстве. Фактически, CPA используется почти во всех самых мощных лазерах, то есть тех, которые имеют более 100 тераватт мощности. Это 1 триллион ватт.
Вот только несколько применений CPA:
- Производство экранов смартфонов: стеклянный экран на вашем смартфоне может быть тонким и хрупким, поэтому вам нужен точный и мощный лазер для удаления дефектов с поверхности.
- Лазерные операции на глазах, такие как Lasik: вырезание хрусталика глаза, чтобы изменить его форму для коррекции зрения, требует точного и быстрого инструмента, который может сделать правильный разрез, не повреждая и не нагревая окружающие ткани.
- Лечение рака: При противораковой протонной терапии лазеры ускоряют протоны для точного наведения на опухоль без разрушения здоровых тканей вокруг нее. Эти протонные лучи, как правило, легче контролировать, чем традиционное излучение, которое включает рентгеновские лучи, и поэтому может привести к меньшим побочным эффектам и может быть более полезным в формах рака, где точное удаление опухолей более важно, например, рак мозга.
- Подражание плазменным условиям, таким как те, которые питаются сверхмассивными черными дырами: очевидно, что астрофизики и физики частиц не в состоянии вырвать звезды с неба, чтобы изучить их вблизи, но мы можем воссоздать некоторые из их высокоэнергетических условий в лаборатории, чтобы лучше понять звездные интерьеры благодаря мощным лазерам с CPA.
