24 августа 2019, суббота, 14:02
VK.comFacebookTwitterTelegramInstagramYouTubeЯндекс.Дзен

НОВОСТИ

СТАТЬИ

PRO SCIENCE

МЕДЛЕННОЕ ЧТЕНИЕ

ЛЕКЦИИ

АВТОРЫ

Нобелевская премия по физике: лазерные инструменты

Артур Ашкин, Жерар Муру, Донна Стрикленд
Артур Ашкин, Жерар Муру, Донна Стрикленд
Niklas Elmehed © Nobel Media

Нобелевская премия этого года в области физики была присуждена ученым, создавшим новые научные инструменты на основе лазеров, обладающие невиданными возможностями. Изобретение американца Артура Ашкина (Arthur Ashkin) стало известным под названием «оптический пинцет». Оно позволяет при помощи лазерного луча удерживать и перемещать такие объекты, как отдельные молекулы, атомы, вирусы или бактерии. Француз Жерар Муру (Gérard Mourou) и канадка Донна Стрикленд (Donna Strickland) создали усиления ультракоротких лазерных импульсов с линейной частотной модуляцией, что позволила получить самые интенсивные и одновременно самые короткие импульсы лазера в истории человечества, нашедшие применение в медицине и промышленности.

Артур Ашкин начал эксперименты по воздействию лазерного луча на прозрачные сферы микронного диаметра в конце 1960-х годов, работая в Bell Labs. Как и ожидалось, он обнаружил, что сфера, попавшая в луч, начинает двигаться под действие светового давления. Неожиданным стало обнаружение градиента силы внутри луча. Интенсивность лазерного пучка ослабевает от центра к краям, и равнодействующая всех сил, действующих на сферу, толкает ее к центру луча. Объяснить это явление можно при помощи закона сохранения импульса. Фотоны лазерного излучения преломляются находящейся в луче частицей, то есть направление их движения изменяется. Но, по закону сохранения импульса, сумма импульсов фотонов и частицы должна оставаться постоянной. Значит, частица сдвигается в направлении, противоположном тому, в каком она преломила свет. Если частица находится на оси луча, то число фотонов, отклоняемых ею влево и вправо, одинаково, и частица находится на месте. Если же она смещается, например, вправо относительно оси луча, число фотонов, отклоняемых вправо, начинает превышать число фотонов, отклоняемых влево. В результате возникнет сила, направляющая частицу влево – обратно к оси луча.

 

Силы, действующие на сферическую частицу в лазерном луче

Сфокусировав луч при помощи линзы, оказалось возможным удерживать сферу на месте и перемещать ее, меняя направление луча – так возник прообраз оптической ловушки. Действие ее основано на уже упоминавшемся законе сохранения импульса, заставляющим частицы сдвигаться к оси луча, а также на поляризации частиц в электромагнитном поле. У диэлектрических частиц под воздействием потока фотонов возникает дипольный момент, и под действием градиента электромагнитного поля они движутся к точке фокуса. Чтобы захват цели был стабильным, необходимо преобладание градиентной силы над световым давлением, смещающим частицу вперед вдоль оси луча. Оно достигается при помощи конфигурации лазерной системы.

На создание «лазерного пинцета» у Артура Ашкина ушло почти два десятка лет. Впервые Ашкин и его сотрудники продемонстрировали работу этого устройства в 1986 году. В дальнейшем Ашкин начал применять созданный им метод к различным биологическим объектам: бактериям, вирусам и живым клеткам. Он обнаружил, что «лазерным пинцетом» можно перемещать даже отдельные объекты внутри клетки, не разрушая при этом клеточную мембрану.

В то же время на основе работ Ашкина и других исследований в области лазерной оптики начало развивать отдельное направление – лазерное охлаждение атомов. Если атом поглощает фотон, а затем вновь излучает его с большей частотой, а следовательно и с большей энергией, то избыток энергии фотона возникает за счет уменьшение тепловых движений атома. Оказалось, что этот способ позволяет охладить атомы до температур, близких к абсолютному нулю. За работы по лазерному охлаждению атомов коллега Артура Ашкина Стивен Чу (Steven Chu) получил Нобелевскую премию по физике в 1997 году.

Исследования Жерара Муру и Донны Стрикленд лежат в другой области ядерной физики. В 1980-х года Муру и Стрикленд работали в Рочестерском университете в США, пытаясь получить ультракороткие лазерные импульсы высокой интенсивности. К тому времени казалось, что предел увеличения интенсивности без рабочей среды лазера. Преодолеть этот предел смогла предложенная учеными технология усиления ультракоротких лазерных импульсов с линейной частотной модуляцией, или кратко – усиления чирпированных импульсов (chirped pulse amplification, CPA).

 

Схема технологии CPA

Суть этой технологии состоит в растягивании изначального короткого импульса в оптической системе, усилении его и последующем сжатии, в ходе которого интенсивность импульса многократно возрастает. Технология CPA применяется, например, в лазерной микрохирургии.

Обсудите в соцсетях

Система Orphus
«Ангара» Африка Византия Вселенная Гренландия ДНК Иерусалим КГИ Луна МГУ Марс Металлургия Монголия НАСА РБК РВК РГГУ РадиоАстрон Роскосмос Роспатент Росприроднадзор Русал СМИ Сингапур Солнце Юпитер акустика антибиотики античность археология архитектура астероиды астрофизика бактерии бедность библиотеки биомедицина биомеханика бионика биоразнообразие биотехнологии блогосфера викинги вирусы воспитание вулканология гаджеты генетика география геология геофизика геохимия гравитация грибы дельфины демография демократия дети динозавры животные здоровье землетрясение змеи зоопарк зрение изобретения иммунология импорт инновации интернет инфекции ислам исламизм исследования история карикатура картография католицизм кельты кибернетика киты климатология комета кометы компаративистика космос культура лазер лексика лженаука лингвистика льготы мамонты математика материаловедение медицина метеориты микробиология микроорганизмы мифология млекопитающие мозг моллюски музеи насекомые наука нацпроекты неандертальцы нейробиология неолит обезьяны общество онкология открытия палеолит палеонтология память папирусы паразиты перевод питание планетология погода политика право приматы психиатрия психоанализ психология психофизиология птицы ракета растения религиоведение рептилии робототехника рыбы сердце смертность сон социология спутники старение старообрядцы стартапы статистика такси технологии тигры топливо торнадо транспорт ураган урбанистика фармакология физика физиология фольклор химия христианство школа экология эпидемии эпидемиология этология язык Александр Беглов Древний Египет Западная Африка Латинская Америка НПО «Энергомаш» Нобелевская премия РКК «Энергия» Российская империя Сергиев Посад альтернативная энергетика аутизм биология бозон Хиггса глобальное потепление грипп информационные технологии искусственный интеллект история искусства история цивилизаций исчезающие языки квантовая физика квантовые технологии компьютерная безопасность компьютерные технологии космический мусор криминалистика культурная антропология междисциплинарные исследования местное самоуправление мобильные приложения научный юмор облачные технологии обучение одаренные дети педагогика персональные данные подготовка космонавтов преподавание истории продолжительность жизни происхождение человека русский язык сланцевая революция финансовый рынок черные дыры эволюция эмбриональное развитие этнические конфликты ядерная физика Вольное историческое общество жизнь вне Земли естественные и точные науки НПО им.Лавочкина Центр им.Хруничева История человека. История институтов дело Baring Vostok Протон-М 3D Apple Big data Dragon Facebook Google GPS IBM MERS PRO SCIENCE видео ProScience Театр SpaceX Tesla Motors Wi-Fi

Редакция

Электронная почта: polit@polit.ru
Телефон: +7 929 588 33 89
Яндекс.Метрика
Свидетельство о регистрации средства массовой информации
Эл. № 77-8425 от 1 декабря 2003 года. Выдано министерством
Российской Федерации по делам печати, телерадиовещания и
средств массовой информации. Выходит с 21 февраля 1998 года.
При любом использовании материалов веб-сайта ссылка на Полит.ру обязательна.
При перепечатке в Интернете обязательна гиперссылка polit.ru.
Все права защищены и охраняются законом.
© Полит.ру, 1998–2019.