Under sex decennier, forskare och ingenjörer har förvandlat den kortaste blixten av laserljus till ultrasnabba pulser som ger en kraftfull stans. Rebecca Pool från ESCI pratar med Nobelpristagare, Professor Gerard Mourou, för att ta reda på mer.

När amerikansk fysiker, Theodore Maiman, observerade den första djupröda ljusblixten från rubinlasern han hade byggt, han insåg nog inte att han just hade förändrat världen. Det var maj 1960:I slutet av året, hans upplägg skulle replikeras i många laboratorier, och under de kommande decennierna, lasrar skulle användas inom telekommunikation, materialbearbetning, ögonoperation och mycket mer. Maimans första enkla och eleganta enhet baserades på laserkoncept som hade studsat runt i forskningsvärlden ganska länge. Redan 1917, Albert Einstein hade räknat ut att elektroner i atomer kunde vara upphetsade att avge kaskader av fotoner, i en process som kallas stimulerad utsläpp.

Vid 1950 -talet, USA-baserade laserpionjärer, Charles Townes från Bell Labs, och Arthur Schawlow från Columbia University, hade utvecklat 'masers', enheter som liknar lasrar men producerar mikrovågor och radiovågor istället för synligt ljus. Och i slutet av detta decennium, Schawlow, Townes och andra fysiker var upptagna med att designa optiska versioner av maser, kommer snart att kallas 'laser'. Men det var Maiman som faktiskt producerade den första arbetslasern. Laser är en förkortning för "ljusförstärkning genom stimulerad strålning." För att inse denna effekt, Maiman byggde en enhet som omfattade en kort, rubinstav med en försilvrad ände och en delvis försilvrad ände med ett litet hål.

Staven placerades i en ljus, spiral, xenon-blixtljus, som Maiman brukade intensivt belysa och stimulera rubinens elektroner att avge fotoner. Dessa fotoner kunde sedan studsa fram och tillbaka mellan stavens ändspeglar, spännande fler elektroner för att avge fotoner, tills fotonerna skulle fly från staven som en kort, tätt packad burst av koherent laserljus. Maimans rubinlaser avgav djupröda pulser av laserljus, Men snart, laserfysiker skulle använda andra fasta ämnen, liksom gaser, flytande färgämnen, joner, metallångor och så småningom halvledare för att producera pulser och kontinuerliga strålar av laserljus.

I början av 1960 -talet lasrar visade sig redan på den kommersiella marknaden via företag som Perkin-Elmer och Spectra-Physics. Och viktigare var att enheterna redan användes för att förstöra tumörer i näthinnan, svetsfjädrar till klockor och mer. Potentialen för lasrar gick inte förlorad på den då kommande laserfysikern, Gerard Mourou, som studerade för sin doktorsexamen i Paris VI 1973. När han säger till ESCI:"När jag började min doktorsexamen, min handledare hade precis kopierat Maiman -lasern i sitt laboratorium. Jag var så mycket intresserad av detta ... och också väldigt upphetsad av dess nya applikationer, " han lägger till.

I början av 1970 -talet lasermodellåsning hade uppfunnits, gör det möjligt att producera en repetitiv ström av intensiva och korta laserpulser. Viktigt, dessa korta pulser innebar att forskare nu kunde studera fysiska och kemiska reaktioner som aldrig förr. Som Mourou påpekar:"Jag ville studera hur atomer, molekyler och mycket små föremål rörda sig, så försökte producera mycket korta pulser från lasrar. "

Dock, laserfysiken hade nått ett vägspärr. Denna utveckling av korta, laserpulser hade inte åtföljts av en stor ökning av energi per puls, eller toppeffekt. Medan den lilla, nanojoule-pulser från dessa kortpulsade, läge-låsta lasrar kan förstärkas en miljon gånger till millijoule-nivån, någon större förstärkning förstörde förstärkaren och laserkomponenterna. Forskare kan producera lasrar med högre energi utan skador genom att öka laserstrålens diameter, men en sådan uppställning krävde massiva laserinstallationer som bara de nationella forskningsinstituten hade råd med.

Men Mourou hade en lösning:kvittrade pulsförstärkning. Arbetade med sin elev, Donna Strickland, han utarbetade en process för att sträcka ut den korta laserpulsen i tid, med hjälp av ett diffraktionsgaller, för att minska sin toppeffekt. Detta mindre kraftfulla ljus skulle då säkert kunna förstärkas till högre energier utan att skada laserkomponenterna och sedan komprimeras till sin ursprungliga tidslängd med ytterligare ett galler. Slutresultatet var en kraftfull puls och inga laserskador. År 1985, Mourou och Strickland hade producerat en hisnande kort, två pikosekundspulser med en relativt blygsam 1 millijoule energi. De genererade snart en ännu kortare pikosekundspuls, att vid 1 joule, hade 1000 gånger mer energi. Chirped pulsförstärkning demonstrerades väl och verkligen och decennier senare skulle de få Nobelpriset i fysik 2018 för sin uppfinning.

Sedan dess utveckling har kvitt pulsförstärkning har blivit standarden i alla högintensiva lasrar, och Mourou har använt tekniken för att utveckla kortare och kortare laserpulser med större energier och allt högre toppeffekter. Ultrakort, intensiva laserpulser har skapats inom laboratorier världen över, låta forskare ta bilder av split-second-processer på molekylär nivå, och studera ofattbart snabba händelser, inklusive fotosyntes och elektronrörelse i atomer och molekyler.

Verkligen, fysiker från universitetet i München registrerade nyligen en elektron som flydde från en heliumatom, en händelse som äger rum på en enda zeptosekund, eller en biljonedel av en miljarddel av en sekund. "Kamerans slutare fungerar i en millisekund men dessa korta laserpulser mäts nu i [minst] en miljonedel av en miljarddel av en sekund, "säger Mourou." Med sådana ultrahögintensiva lasrar kan vi studera subatomär fysik, inklusive kärnan, och jag är också väldigt upphetsad över att studera de oändligt små energifluktuationerna i ett vakuum. "

Men utöver att fånga ofattbart snabbt, atom- och subatomära händelser, laserns höga intensitet har också utnyttjats för att exakt klippa eller borra funktioner i en hisnande mängd biologiska och konstgjorda material. Till exempel, kvitt pulsförstärkning har länge använts vid ögonoperationer för att skära upp linsen utan att skada omgivande vävnad, och även för att cauterisera blodkärlen.

Metoden används också i stor utsträckning för att etsa gropar i optiska skivor, för datalagring, bearbeta täckglaset som används i mobiltelefoner, och mönstra ytorna på precisionsdelar för batterier, implantat med mera.

Verkligen, Dr Santiago Miguel Olaizola, från Centro de Estudios e Investigaciones Técnicas (CEIT) i Baskien, Spanien, har utnyttjat ultrakorte pulslasrar för att utveckla processer för att definiera sådana mönster och texturer - kända som laserinducerade periodiska ytstrukturer (LIPSS) - på exakta platser på ytor. Som en viktig partner i det europeiska projektet, Laser4surf, Olaizola, tillsammans med kollegor, avser att utveckla ett system för att föra LIPSS till massproduktion. "Ultrasnabb laserteknik för avancerad tillverkning har mognat mycket snabbt under de senaste femton åren, och har flyttat från laboratoriet till fabriker och företag, "säger han." Men vi skulle nu vilja utveckla och integrera processerna ytterligare så att vi kan skapa dessa små ytstrukturer mycket snabbt och enkelt. "

Allt-i-ett-instrumentet kommer att omfatta tre nyckelfunktioner; en optisk modul, övervakningsenhet och mjukvaruplattform. Den optiska modulen representerar systemets hjärta och kommer att styra laserparametrarna såsom laserkraft, strålprofil och våglängd. Under tiden, den in-line övervakningsenheten kommer att övervaka egenskaperna hos ytmönstren när de skapas. Och den nya mjukvaruplattformen gör det möjligt för industriella användare att välja processparametrar enligt materialet som mönstras.

"Med övervakningsenheten, vi kommer att kunna spåra oväntade ändringar för att ta reda på om, säga, något har hänt med lasern, "förklarar Olaizola." Och mjukvaruverktygen låter användaren välja, till exempel, ytstrukturernas djup och justera instrumentet för att ställa in laserparametrarna för detta, utan att behöva djupt förstå processen. "

En prototyp är nu planerad till början av 2020, och kommer att användas för att skapa LIPSS i avancerade batterier, tandimplantat och de linjära kodarna som ger positionsåterkoppling i verktygsmaskiner och automatiseringssystem. "Vi ville demonstrera systemet på en kombination av olika tekniker, "markerar Olaizola." Batterier är efterfrågade och massproducerade, tandimplantat är en viktig social applikation och linjära kodare behöver mycket exakt bearbetning. "

Enligt Olaizola, Laser4Surf -prototypen kommer inledningsvis att förlita sig på låg energi, ultrakortpulserade lasrar som inte använder Mourou och Stricklands kvittrade pulsförstärkning. Men i ett senare skede, detta kommer att förändras. "Chirped pulsförstärkning gör att du kan ha mer energi i varje laserpuls, vilket möjliggör snabbare bearbetning av material, "säger han." Hastigheten kommer att bli så viktig i framtida LIPSS -applikationer; när massproduktionen har etablerats kommer vi bara att behöva tillverka produkter snabbare och snabbare. "