Skulle du vilja fånga en kemisk omvandling inuti en cell levande? Eller kanske revolutionera mikrochips produktion genom att skriva ut banor i ett lager som har en tjocklek på bara 100 nanometer? Dessa och många andra mål kan nu uppnås med den senaste femtosekundlasern skapad av ett team av forskare under ledning av Dr. Yuriy Stepanenko.

Dessa dagar, det finns en mängd laserljuskällor. De har var och en sina egenskaper och olika tillämpningar, som att observera stjärnor, behandla sjukdomar, och ytmikrobearbetning. "Vårt mål är att utveckla nya, säger Yuriy Stepanenko, chef för teamet för ultrasnabba lasertekniker vid Institutet för fysikalisk kemi vid den polska vetenskapsakademin. "Vi har att göra med källor som producerar ultrakorta ljuspulser. Verkligen mycket, mycket korta femtosekundspulser (det är en del av en sekund med 15 nollor efter decimalkomma). Detta är den skala på vilken till exempel, intracellulära kemiska reaktioner äger rum. För att se dem, vi måste "ta ett foto" på denna mycket korta tid. Och tack vare den nya lasern, vi kan göra just det.

"Vi kan också använda vår källa för mycket exakt borttagning av material från olika ytor utan att förstöra dem, " säger vetenskapsmannen. "Vi kunde, till exempel, rengör Mona Lisa med denna metod utan att skada färgskikten. Vi skulle bara ta bort damm och smuts, ett lager ca 10 nanometer tjockt, " förklarar Dr Stepanenko, en av författarna till en studie som nyligen publicerades i Journal of Lightwave Technology.

"Men för den här typen av jobb, vår laser är till och med ganska precis, " noterar Dr Bernard Piechal, medförfattare till publikationen. "För detta, du behöver bara nanosekundspulser, dvs pulser som varar tusen gånger längre. Den senare, dock, skulle inte kunna, till exempel, rita banor av exakt planerade djup i ultratunna material, t.ex. ta bort guld sprayat på mikrochips med en exakt justering av tjockleken på lagret som tas bort. Men vår laser kan göra detta! Den kan även göra hål i härdat glas eller ultratunna silikonplattor. Under dessa förhållanden, en nanosekundlaser skulle antingen smälta kislet eller "krossa" glaset eftersom det producerar för mycket värme. För mycket energi koncentreras lokalt till ett mycket litet område. Vårt jobbar fast men skonsamt, " flinar Dr Stepanenko.

Hur uppnåddes denna effekt?

"Vi ville att vår källa skulle uppfylla två villkor:den skulle vara känslig för mekaniska störningar i minsta möjliga utsträckning, och det skulle vara mobilt, " förklarar Dr. Piechal. "Vi ville inte skapa en enorm, stationär struktur."

Fiberoptiska lasrar kom till lagets undsättning. "Den här sortens laser är i grunden en optisk fiber innesluten i en ring. Laserpulsen går inuti den utan att utsättas för mekaniska störningar. Den optiska fibern kan beröras, rörd, även skakas utan att kompromissa med pulsens stabilitet. Självklart, om ljuset bara sprang runt i en cirkel som denna, det vore värdelöst, så en del av denna impuls riktas utanför slingan på ett ställe i form av användbara blixtar, " förklarar Dr Stepanenko.

Här kommer vi till en annan viktig parameter för denna typ av pulsad laser:frekvensen med vilken pulserna uppträder vid utgången. I konventionella konstruktioner, denna frekvens beror på längden på den fiberoptiska slingan i vilken pulsen färdas. Dess praktiska längd är flera dussin meter. Vilket är ganska mycket, är det inte? Tänk om vi ville att ljusblixtar skulle dyka upp så ofta som möjligt? Detta kan göras genom att minska omkretsen av ringen genom vilken pulsen färdas. Bara att den här typen av handlingar har sina gränser. "I våra lasrar, den minsta slingan ger pulser var 60:e nanosekund, som fortfarande är för långsam för våra önskningar, " förklarar forskaren. Hur kan denna frekvens accelereras? Det är här den nya uppfinningen av teamet från IPC PAS kommer in:ett system som gör att grundfrekvensen kan dupliceras som om man skapar harmoniska frekvenser på en gitarrs grundfrekvens sträng.

"Vi använder så kallad Harmonic Mode Locking, " förklarar Dr. Stepanenko. "Vad som är innovativt i vår design är att vi kan ändra denna upprepningsfrekvens på ett kontrollerat sätt och välja endast en av de möjliga övertonerna, den speciella vi behöver. Man kan säga att vi är som en gitarrist - på en öppen sträng, dvs vår fiberslinga, vi får en specifik frekvens som ett resultat av dess längd. När vi sätter fingret exakt i mitten av snöret, får vi den så kallade andra övertonen. Tonhöjden ökar med en oktav och vibrationsfrekvensen fördubblas. Om vi ​​sätter fingret på 1/3 av strängens längd, vi får en frekvens lika med tre gånger högre än på den öppna strängen. I vårat fall, vi ökar frekvensen på pulserna genom att vrida på ratten. Vi kan bara göra det i steg, varje gång får en annan harmonisk, precis som övertonerna i gitarren ändras i steg, men omfånget är ganska stort:​​vi kan ändra våra ljusövertoner från 2 upp till 19 gånger över grundfrekvensen, dvs nå en frekvens av pulser upp till drygt 300 MHz.

Det är extremt viktigt att de erhållna frekvenserna är stabila och kan särskiljas exakt. Om vi ​​väljer en överton, alla andra kommer att vara så dämpade att deras "volym" blir cirka 10 miljoner gånger lägre än den valda. Man kan säga att vi genererar ett rent ljud och eliminerar allt bakgrundsljud. Dessutom, ju högre frekvens, desto bättre definieras det. "Vi är de första som har lyckats göra det här så bra, säger forskaren stolt.

Det är upp till oss att vänta på att uppfinningen ska implementeras i mer industriella tillämpningar. Kanske kommer det att innebära ännu tunnare och lättare bärbara datorer för oss eller bättre kunskap om vad som händer inuti människokroppen.