Wil je een chemische transformatie in een cel live vastleggen? Of misschien een revolutie teweegbrengen in de productie van microchips door paden af ​​te drukken in een laag met een dikte van slechts 100 nanometer? Deze en vele andere doelen kunnen nu worden bereikt met de nieuwste femtosecondelaser die is gemaakt door een team van wetenschappers onder leiding van Dr. Yuriy Stepanenko.

Tegenwoordig, er is een veelvoud aan laserlichtbronnen. Ze hebben elk hun kenmerken en verschillende toepassingen, zoals het observeren van sterren, het behandelen van ziekten, en oppervlakte microbewerking. "Ons doel is om nieuwe te ontwikkelen, " zegt Joeri Stepanenko, hoofd van het team van ultrasnelle lasertechnieken aan het Instituut voor Fysische Chemie van de Poolse Academie van Wetenschappen. "We hebben te maken met bronnen die ultrakorte lichtpulsen produceren. Echt heel, zeer korte femtoseconde pulsen (dat is een deel van een seconde met 15 nullen achter de komma). Dit is de schaal waarop bijvoorbeeld, intracellulaire chemische reacties plaatsvinden. Om ze te zien, we moeten in deze zeer korte tijd "een foto maken". En dankzij de nieuwe laser, dat kunnen we gewoon doen.

"We kunnen onze bron ook gebruiken voor het zeer nauwkeurig verwijderen van materialen van verschillende oppervlakken zonder ze te vernietigen, "zegt de wetenschapper. "We zouden, bijvoorbeeld, maak de Mona Lisa op deze manier schoon zonder de verflagen te beschadigen. We zouden alleen stof en vuil verwijderen, een laag van ongeveer 10 nanometer dik, " legt Dr. Stepanenko uit, een van de auteurs van een studie die onlangs is gepubliceerd in de Journal of Lightwave-technologie.

"Maar voor dit soort werk onze laser is zelfs iets te nauwkeurig, " merkt Dr. Bernard Piechal op, co-auteur van de publicatie. "Voor deze, je hebt alleen pulsen van nanoseconden nodig, d.w.z. pulsen die duizend keer langer duren. Het laatste, echter, niet zou kunnen, bijvoorbeeld, teken paden van nauwkeurig geplande diepten in ultradunne materialen, bijv. het verwijderen van op microchips gespoten goud met een nauwkeurige aanpassing van de dikte van de te verwijderen laag. Maar onze laser kan dit! Het kan ook gaten maken in gehard glas of ultradunne siliconenplaten. In deze omstandigheden, een nanoseconde laser zou het silicium doen smelten of het glas 'breken' omdat het te veel warmte produceert. Te veel energie is lokaal geconcentreerd op een heel klein gebied. De onze werkt stevig maar voorzichtig, " grijnst Dr. Stepanenko.

Hoe is dit effect bereikt?

"We wilden dat onze bron aan twee voorwaarden zou voldoen:hij moest zo min mogelijk gevoelig zijn voor mechanische storingen, en het moest mobiel zijn, " legt Dr. Piechal uit. "We wilden geen enorme, stationaire structuur."

Glasvezellasers kwamen het team te hulp. "Dit soort laser is in feite een optische vezel die is ingesloten in een ring. De laserpuls loopt erin zonder te worden blootgesteld aan mechanische storingen. De optische vezel kan worden aangeraakt, verhuisd, zelfs geschud zonder de stabiliteit van de pols in gevaar te brengen. Natuurlijk, als het licht maar in zo'n cirkel rondging, het zou nutteloos zijn, dus een deel van deze impuls wordt op één plaats buiten de lus geleid in de vorm van nuttige flitsen, " legt Dr. Stepanenko uit.

Hier komen we bij een andere belangrijke parameter van dit soort pulserende lasers:de frequentie waarmee de pulsen aan de uitgang verschijnen. In conventionele ontwerpen, deze frequentie hangt af van de lengte van de glasvezellus waarin de puls zich voortplant. De praktische lengte is enkele tientallen meters. Wat best veel is, is het niet? Wat als we wilden dat lichtflitsen zo vaak mogelijk zouden verschijnen? Dit kan worden gedaan door de omtrek van de ring waar de puls doorheen gaat te verkleinen. Alleen dat dit soort acties zijn grenzen heeft. "In onze lasers, de kleinste lus geeft elke 60 nanoseconden pulsen, die nog steeds te traag is voor onze verlangens, " legt de onderzoeker uit. Hoe kan deze frequentie worden versneld? Hier komt de nieuwe uitvinding van het team van de IPC PAS om de hoek kijken:een systeem waarmee de basisfrequentie kan worden gedupliceerd alsof het harmonische frequenties creëert op de basisfrequentie van een gitaar snaar.

"We gebruiken zogenaamde Harmonic Mode Locking, " legt Dr. Stepanenko uit. "Wat innovatief is in ons ontwerp, is dat we deze herhalingssnelheid op een gecontroleerde manier kunnen veranderen en slechts één van de mogelijke harmonischen kunnen selecteren, de specifieke die we nodig hebben. Je zou kunnen zeggen dat we als een gitarist zijn - aan een open snaar, d.w.z. onze lus van de vezel, we verkrijgen een specifieke frequentie als gevolg van zijn lengte. Als we onze vinger precies in het midden van de snaar plaatsen, krijgen we de zogenaamde tweede harmonische. De toonhoogte neemt een octaaf toe en de trillingsfrequentie verdubbelt. Als we onze vinger op 1/3 van de lengte van de snaar leggen, we krijgen een frequentie gelijk aan drie keer hoger dan op de open snaar. In ons geval, we verhogen de frequentie van de pulsen door aan de knop te draaien. We kunnen het alleen in stappen doen, elke keer een andere harmonische, net zoals de harmonischen in de gitaar in stappen veranderen, maar het bereik is vrij groot:we kunnen onze lichtharmonischen veranderen van 2 tot 19 keer boven de basisfrequentie, d.w.z. een frequentie van pulsen bereiken tot iets meer dan 300 MHz.

Het is uiterst belangrijk dat de verkregen frequenties stabiel zijn en nauwkeurig kunnen worden onderscheiden. Als we een harmonische kiezen, alle anderen zullen zo gedempt zijn dat hun "volume" ongeveer 10 miljoen keer lager zal zijn dan dat van de uitverkorene. Je zou kunnen zeggen dat we een puur geluid genereren en alle achtergrondgeluiden elimineren. In aanvulling, hoe hoger de frequentie, hoe beter het is gedefinieerd. "We zijn de eersten die dit zo goed hebben gedaan, ’ zegt de onderzoeker trots.

Het wordt aan ons overgelaten om te wachten tot de uitvinding wordt geïmplementeerd in meer industriële toepassingen. Misschien betekent het voor ons nog dunnere en lichtere laptops of een betere kennis van wat er in het menselijk lichaam gebeurt.