Over zes decennia, wetenschappers en ingenieurs hebben de kortste flits van laserlicht omgezet in ultrasnelle pulsen die een krachtige stoot uitdelen. Rebecca Pool van ESCI praat met Nobelprijswinnaar, Professor Gerard Mourou, om meer te weten te komen.

Toen de Amerikaanse natuurkundige, Theodore Maiman, zag de eerste dieprode lichtflits van de robijnrode laser die hij had gebouwd, hij realiseerde zich waarschijnlijk niet dat hij zojuist de wereld had veranderd. Het was mei 1960:tegen het einde van het jaar, zijn opstelling zou in veel laboratoria worden nagebootst, en in de komende decennia lasers zouden worden gebruikt in telecommunicatie, materiaal verwerking, oogchirurgie en nog veel meer. Het eerste eenvoudige en elegante apparaat van Maiman was gebaseerd op laserconcepten die al geruime tijd ronddobberden in de onderzoekswereld. Al in 1917, Albert Einstein had ontdekt dat elektronen in atomen kunnen worden geëxciteerd om cascades van fotonen uit te zenden, in een proces dat bekend staat als gestimuleerde emissie.

Tegen de jaren vijftig, in de VS gevestigde laserpioniers, Charles Townes van Bell Labs, en Arthur Schawlow van de Columbia University, had 'masers' ontwikkeld, apparaten die vergelijkbaar zijn met lasers, maar microgolven en radiogolven produceren in plaats van zichtbaar licht. En tegen het einde van dit decennium, Schawlow, Townes en andere natuurkundigen waren bezig met het ontwerpen van optische versies van de maser, binnenkort 'laser' genoemd. Maar het was Maiman die de eerste werkende laser produceerde. Laser is een acroniem voor "lichtversterking door gestimuleerde emissie van straling". Om dit effect te realiseren, Maiman bouwde een apparaat dat bestond uit een korte, robijnrode staaf met een verzilverd uiteinde en een gedeeltelijk verzilverd uiteinde met een klein gaatje.

De staaf werd geplaatst in een heldere, spiraal, xenon flitslicht, die Maiman gebruikte om de elektronen van de robijn intens te verlichten en te stimuleren om fotonen uit te zenden. Deze fotonen kunnen dan heen en weer kaatsen tussen de eindspiegels van de staaf, meer elektronen opwekken om fotonen uit te zenden, totdat de fotonen als een kortsluiting uit de staaf zouden ontsnappen, dicht opeengepakte uitbarsting van coherent laserlicht. Maiman's robijnrode laser straalde dieprode pulsen van laserlicht uit, maar snel, laserfysici zouden andere vaste stoffen gebruiken, evenals gassen, vloeibare kleurstoffen, ionen, metaaldampen en uiteindelijk halfgeleiders om pulsen en continue bundels laserlicht te produceren.

Tegen het begin van de jaren zestig, lasers verschenen al op de commerciële markt via bedrijven als Perkin-Elmer en Spectra-Physics. En belangrijker nog, de apparaten werden al gebruikt om retinale tumoren te vernietigen, lasveren tot horloges en meer. Het potentieel voor lasers ging niet verloren aan de toen opkomende laserfysicus, Gerard Mourou, die studeerde voor zijn Ph.D. aan Paris VI in 1973. Zoals hij ESCI vertelt:"Toen ik aan mijn Ph.D. begon, mijn supervisor had zojuist de Maiman-laser in zijn laboratorium gedupliceerd. Ik was hier zo erg in geïnteresseerd... en ook erg enthousiast over de nieuwe toepassingen ervan, " hij voegt toe.

Tegen het begin van de jaren zeventig, lasermodusvergrendeling was uitgevonden, waardoor het mogelijk is om een ​​zich herhalende stroom van intense en korte laserpulsen te produceren. belangrijk, deze korte pulsen betekenden dat onderzoekers nu fysieke en chemische reacties konden bestuderen als nooit tevoren. Zoals Mourou opmerkt:"Ik wilde bestuderen hoe atomen, moleculen en zeer kleine objecten bewogen, dus probeerde hij zeer korte pulsen van lasers te produceren."

Echter, laserfysica had een wegversperring bereikt. Deze ontwikkeling van korte, laserpulsen niet gepaard gingen met een grote toename van de energie per puls, of piekvermogen. Terwijl de kleine, nanojoule pulsen van deze kort gepulseerde, Mode-locked lasers kunnen een miljoen keer worden versterkt tot op millijoule niveau, elke grotere versterking vernietigde de versterker en lasercomponenten. Onderzoekers zouden lasers met hogere energie kunnen produceren zonder de schade door de diameter van de laserstraal te vergroten, maar zo'n opstelling vereiste enorme laserinstallaties die alleen de nationale onderzoeksinstituten zich konden veroorloven.

Maar Mourou had een oplossing:piepende pulsversterking. Samen met zijn leerling, Donna Strickland, hij bedacht een proces om de korte laserpuls in de tijd te rekken, met behulp van een diffractierooster, om zijn piekvermogen te verminderen. Dit minder krachtige licht zou dan veilig kunnen worden versterkt tot hogere energieën zonder de lasercomponenten te beschadigen en vervolgens opnieuw gecomprimeerd tot zijn oorspronkelijke tijdsduur met een verder rooster. Het eindresultaat was een krachtige puls en geen laserschade. Tegen 1985, Mourou en Strickland hadden een adembenemend korte, twee picoseconden puls met een relatief bescheiden 1 millijoule energie. Ze genereerden al snel een nog kortere puls van één picoseconde, dat bij 1 joule, 1000 keer meer energie had. Chirped-pulsversterking werd goed en waar gedemonstreerd en decennia later zouden ze de 2018 Nobelprijs voor natuurkunde ontvangen voor hun uitvinding.

Sinds zijn ontwikkeling, chirped-pulsversterking is de standaard geworden in alle lasers met hoge intensiteit, en Mourou heeft de techniek gebruikt om kortere en kortere laserpulsen te ontwikkelen met grotere energieën en steeds hogere piekvermogens. ultrakort, intense laserpulsen zijn gecreëerd in laboratoria over de hele wereld, onderzoekers in staat stellen om op moleculair niveau beelden te maken van processen in een fractie van een seconde, en onvoorstelbaar snelle gebeurtenissen bestuderen, inclusief fotosynthese en elektronenbeweging in atomen en moleculen.

Inderdaad, natuurkundigen van de Universiteit van München hebben onlangs een elektron vastgelegd dat ontsnapt uit een heliumatoom, een gebeurtenis die plaatsvindt in een enkele zeptoseconde, of een biljoenste van een miljardste van een seconde. "De sluiter van je camera werkt in een milliseconde, maar deze korte laserpulsen worden nu gemeten in [minstens] een miljoenste van een miljardste van een seconde, " zegt Mourou. "Met zulke ultrahoge intensiteit lasers kunnen we subatomaire fysica bestuderen, inclusief de kern, en ik ben ook erg enthousiast over het bestuderen van de oneindig kleine energieschommelingen in een vacuüm."

Maar naast onvoorstelbaar snel vastleggen, atomaire en subatomaire gebeurtenissen, de hoge intensiteit van de laser is ook gebruikt om functies nauwkeurig te snijden of te boren in een adembenemende reeks biologische en door de mens gemaakte materialen. Bijvoorbeeld, tjilpende pulsversterking wordt al lang gebruikt bij oogchirurgie om de lens open te snijden zonder het omliggende weefsel te beschadigen, en ook om bloedvaten te dichtschroeien.

De methode wordt ook veel gebruikt om putjes in optische schijven te etsen, voor gegevensopslag, machinaal het dekglas dat in mobiele telefoons wordt gebruikt, en patroon de oppervlakken van precisie-onderdelen voor batterijen, implantaten en meer.

Inderdaad, Dr. Santiago Miguel Olaizola, van het Centro de Estudios e Investigaciones Técnicas (CEIT) in Baskenland, Spanje, heeft ultrakorte pulslasers gebruikt om processen te ontwikkelen om dergelijke patronen en texturen - bekend als laser-geïnduceerde periodieke oppervlaktestructuren (LIPSS) - op precieze locaties op oppervlakken te definiëren. Als belangrijke partner in het Europese project, Laser4surf, Olaizola, naast collega's, is van plan een systeem te ontwikkelen om LIPSS in massaproductie te brengen. "Ultrasnelle lasertechnologie voor geavanceerde productie is de afgelopen vijftien jaar zeer snel volwassen geworden, en is verhuisd van het laboratorium naar fabrieken en bedrijven, " zegt hij. "Maar we willen de processen nu verder ontwikkelen en integreren, zodat we deze kleine oppervlaktestructuren heel snel en gemakkelijk kunnen maken."

Het 'alles-in-één instrument' zal drie hoofdkenmerken bevatten; een optische module, monitoring unit en software platform. De optische module vertegenwoordigt het hart van het systeem en regelt de laserparameters zoals laservermogen, bundelprofiel en golflengte. In de tussentijd, de in-line bewakingseenheid bewaakt de eigenschappen van de oppervlaktepatronen terwijl ze worden gemaakt. En met het nieuwe softwareplatform kunnen industriële gebruikers procesparameters selecteren op basis van het materiaal dat van een patroon wordt voorzien.

"Met de bewakingseenheid we in staat zullen zijn om eventuele onverwachte wijzigingen te volgen om erachter te komen of, zeggen, er is iets met de laser gebeurd, " legt Olaizola uit. "En met de softwaretools kan de gebruiker kiezen, bijvoorbeeld, de diepte van de oppervlaktestructuren en pas het instrument aan om de laserparameters hiervoor af te stemmen, zonder het proces grondig te hoeven begrijpen."

Een prototype staat nu gepland voor begin 2020, en zal worden gebruikt om LIPSS te maken in geavanceerde batterijen, tandheelkundige implantaten en de lineaire encoders die positiefeedback geven in werktuigmachines en automatiseringssystemen. "We wilden het systeem demonstreren op een combinatie van verschillende technologieën, " benadrukt Olaizola. "Er is veel vraag naar batterijen en er wordt massaal geproduceerd, tandheelkundige implantaten zijn een belangrijke sociale toepassing en lineaire encoders hebben een zeer nauwkeurige bewerking nodig."

Volgens Olaizola, het Laser4Surf-prototype zal in eerste instantie vertrouwen op lage energie, ultrakorte gepulseerde lasers die geen gebruik maken van Mourou en Strickland's chirped pulsversterking. Maar in een later stadium dit zal veranderen. "Chirped-pulsversterking stelt u in staat om meer energie in elke laserpuls te hebben, wat een snellere verwerking van materialen mogelijk maakt, " zegt hij. "Snelheid wordt zo belangrijk in toekomstige LIPSS-toepassingen; als de massaproductie eenmaal tot stand is gebracht, zullen we alleen maar sneller en sneller producten moeten maken."