Нобелевскую премию по физике вручили за достижения в области лазерной оптики

Лауреатами Нобелевской премии по физике в 2018 году стали Артур Эшкин (Arthur Ashkin) за оптический пинцет и его применение в области биологии, Жерар Муру (Gerard Mourou) и Донна Стрикленд (Donna Strickland) за разработку метода генерации высокоинтенсивных ультракоротких оптических импульсов.

Перемещение микрообъектов с помощью лазера

Даже самые совершенные механические манипуляторы бесполезны, если необходимо перемещать микроскопические объекты, такие как, например, живые клетки или молекулы. Оптический пинцет (optical tweezer), разработанный американским физиком Артуром Эшкиным еще в 1986 году, позволяет перемещать такие объекты, не нарушая их структуры.

Благодаря использованию лазерного пучка специальной формы, оптический пинцет воздействует на объект не механически, а с помощью электрического поля лазера.

При попадании частицы в лазерный луч на нее начинают действовать градиентные силы электрического поля. Центр лазерного пучка оказывается энергетически наиболее выгодным для частицы положением. Таким образом микрообъект попадает в оптическую ловушку: если сместить лазерный пучок, объект тоже сместится, чтобы располагаться на оси луча.

Заслуга открытия градиентных сил также принадлежит Артуру Эшкину (1970 год).

Оптические пинцеты в биологии

После того, как Эшкин представил работающий оптический пинцет в 1986 году, он решил применить технологию в исследовании биологических объектов – бактерии Escherichia coli и вируса табачной мозаики.

Для того, чтобы лазер не разрушил живую клетку, потребовалось уменьшить длину волны, чтобы объект не поглощал излучение.

Физику удалось перемещать клетки, сохраняя их жизнеспособность. Бактерии способны нормально существовать и размножаться внутри оптической ловушки.

Методика, разработанная Эшкиным, помогла в изучении множества биохимических процессов. Например, с помощью оптических пинцетов ученые исследовали работу молекулярных машин, за изучение которых была вручена Нобелевская премия по химии 2016 года.

Среди других применений оптических пинцетов – измерение параметров химических процессов, проведение реакций между отдельными атомами, а также создание трехмерных цветных голограмм.

Получение ультракоротких оптических импульсов

Донна Стрикленд и Жерар Муру получили награду за технологию, которая позволяет усиливать лазерный луч и используется во всех современных мощных лазерах.

Принцип лазерного усиления был предложен в еще 1960 году, но Стрикленд и Муру придумали способ не разрушающий среду, которая усиливает лазер.

Суть метода, получившего название чирпированное усиление импульсов (Chirped pulse amplification, CPA), заключается в растяжении лазерного импульса во времени.

Ширину спектра изначального импульса увеличивают с помощью дисперсионной оптической системы. При усилении такого “растянутого” импульса установка не разрушается от пиковой энергии.

Усиленный импульс “концентрируют” с помощью дифракционных решеток.

Этот метод позволяет создавать сверхмощные лазеры (до 1015 ватт) с достаточно долгими импульсами (около 10-15 секунды).