Нобелевскую премию физике в 2018 году вручили Артуру Ашкину, Донне Стрикленд и Жерару Муру «за исследования в области лазерной физики». Мы попросили прокомментировать это событие физика, член-корреспондента Российской Академии наук Ефима Хазанова.

В этом году Нобелевский комитет решил объединить в одну премию две очень разные технологии, которые обе внесли существенный вклад в сооружение и использование лазеров. Первая технология — это принцип оптического пинцета, за который вручают премию Артуру Ашкину. Разработанная им методика основана на том, что, если какая-то мелкая частица попадает в центр светового пятна от лазера, она оказывается поймана и выйти из него уже не может. Соответственно, нужно настроить лазер так, чтобы частица оказалась в его центре, и, если двигать лазерный пучок вправо или влево, она будет двигаться вместе с пятном, как спасательный круг тянет за собой утопающего. Это происходит на масштабах порядка длины волны — одного микрона, поэтому лазер может ухватить очень мелкую частицу, вплоть до молекулы, белка или фрагмента ДНК.

Рекомендуем по этой теме:
FAQ
Премии | Нобелевская премия по физике — 2014

Вторая технология, за которую награждают Донну Стрикленд и Жерара Муру, используется для усиления лазерного луча. На ней основаны все современные мощные лазеры. Сам процесс лазерного усиления был придуман еще в 1960 году. Метод, предложенный в 1986 году в статье двух лауреатов, отличается от предыдущих технологий тем, что использует растянутый во времени лазерный импульс, который не наносит вреда среде, усиливающей его. Чтобы ослабить лазерный импульс, его большую энергию просто размазывают во времени тонким слоем. После растяжения мощность импульса уменьшается в десятки тысяч раз, он становится безопасным и усиливается как обычный, небольшой мощности импульс.


1) Короткий световой импульс проходит через дифракционную решетку, растягивающую его. 2) Мощность растянутого импульса падает. 3) Импульс проходит через усилитель мощности и сжимается в оптическом компрессоре из дифракционных решеток. 4) Мощность сжатого импульса многократно возрастает

Первый этап — растяжение. Оно происходит за счет того, что частотам лазерного импульса назначается разный путь. Представьте себе поезд, вагоны которого едут с разной скоростью: первый вагон — самый быстрый, последний — самый медленный. Если вагоны не сцеплены, поезд растягивается на большое расстояние. Точно так же растягивает лазерный пучок; его пиковая мощность падает, и, значит, его можно пропустить через усилитель.

После этого лазерный импульс надо собрать обратно. Проблема в том, что лазер такой мощности в состоянии разрушить любую среду, в частности стекло. Значит, его можно использовать только в вакууме. Чтобы решить эту проблему в современных установках для сжатия импульса, используют отражение — только не обычное, зеркальное, а отражение от дифракционных решеток — и тем самым увеличивают его мощность в десятки тысяч раз. Поскольку свет не проходит через решетки, а только отражается, никакого вреда он им не наносит (разумеется, до определенного, но гораздо большего уровня мощности).

Импульс сжимается обратно в оптическом компрессоре. Его дифракционные решетки устроены так, что для каждой частоты они вносят нужную задержку. Соответственно, возвращаясь к метафоре поезда, последние вагоны идут по короткому пути и проходят его быстро, а первые вагоны, наоборот, медленно. Сами по себе дифракционные решетки известны еще дольше, чем лазеры. Но логику всего процесса и работающую цепочку собрали воедино Донна Стрикленд и Жерар Муру: благодаря им стало ясно, как использовать давно известные подходы для создания лазеров огромных мощностей. Сегодня все лазеры с большой пиковой мощностью используют их технологию.

Рекомендуем по этой теме:
FAQ
Нобелевская премия по физиологии или медицине — 2018: иммунные ингибиторы

Так получают рекордно мощные лазеры до 10 петаватт (1016 ватт), которые используются в фундаментальных исследованиях. Такие установки — единственный способ создать электрическое поле фантастической силы, которое помогает исследовать самые разные процессы: как те, что происходят в недрах звезд, так и те, что просто не идут во Вселенной, потому что таких полей в ней нет. Во взаимодействии поля с вакуумом, электронами и плазмой раскрываются такие области физики, которые нельзя исследовать другими способами.

Лазеры попроще, мощностью в 1 петаватт, могут использоваться для ускорения частиц. Сегодня обсуждается идея, что следующее поколение ускорителей электронов не должно быть основано на тех же принципах, что и современные ускорители, так как расходы на их строительство и поддержание становятся уже неподъемны даже для международных коллабораций. Первые эксперименты показывают, что огромные дорогие установки можно заменить на лазерные, простые и компактные, и получить даже более энергичные электроны. Кроме того, лазерные установки можно будет использовать для лечения рака вместо громоздких протонных ускорителей. Правда, практическая реализация этой идеи еще впереди.