Pinces i polsos òptics (Arthur Ashkin, Gérard Mourou, Donna Strickland; Premi Nobel de Física, 2018)

Òptica: La Reial Acadèmia Sueca de Ciència ha comunicat els noms dels guardonats amb l’edició del 2018 del Premi Nobel de Física. El Premi Nobel de Física ha estat atorgat a tres investigadors “per invencions pioneres en el camp de la física de làser“. El Premi, de 9 milions de corones, s’ha dividit en dues meitats. La primera ha correspost a Arthur Ashkin, “per les pinces òptiques i la llur aplicació en sistemes biològics“. La segona s’ha dividit alhora entre Gérard Mourou i Donna Strickland, a qui se’ls reconeix “per llur mètode de generar polsos òptics d’alta intensitat i ultra-breus“.

Arthur Ashkin

Arthur Ashkin (*Brooklyn, 2.9.1922) estudià a la Columbia University. Mobilitzant durant la Segona Guerra Mundial, fou destinat com a reserva i treballà en el Radiation Lab de la universitat en la construcció de magnetrons per als sistemes militars de radars. Graduat en física, passà a la Cornell University, on es doctorà el 1952. Desenvolupà la seva carrera a Bell Laboratories, a Holmdel. A partir del 1960 començà a treballar en el camp de les microones, des d’on passaria més tard a la recerca en làsers. El 1992 es retirà de Bell Labs. Des de llavors ha fet recerca a Lucent Technologies i al seu laboratori domèstic.

Gérard Mourou

Gérard Mourou (*Arbèrtvile, Savouè, 22.6.1944) es doctorà el 1973. Ha realitzat la seva carrera a l’École Polytechnique de Palaiseau, i a la University of Michigan d’Ann Arbor. El 1990 fundà el Center for Ultrafast Optical Science (CUOS). Actualment dirigeix el Laboratoire d’Optique Appliquée de l’ENSTA.

Donna Strickland

Donna Strickland (*Guelph, Ontario, 27.5.1959) es graduà en enginyeria física a la McMaster University el 1981. Es doctorà a la University of Rochester el 1989 amb una tesi sobre l’amplificació de polsos estridents, amb Mourou de supervisor. És professora de la University of Waterloo (Canada), ob lidera un grup de recerca en làsers ultraràpids.

Les pinces òptiques

En el 1958, Arthur L. Schawlow i Charles H. Townes, dels Bell Telephone Laboratories de NJ, anunciaven els principis de l’amplificació d’ones per emissió estimulada de radiació (maser) per a la llum visible (maser òptic) i per a la radiació infraroja (maser infraroig). El maser òptic esdevingué conegut com a làser ja en la dècada dels 1960, com una llum coherent, direccional, monocromàtica i intensa, i se n’exploraren les aplicacions.

En el 1969, Arthur Ashkin estudiava l’acceleració i captura de partícules de mida micromètrica a través de la pressió de radiació d’un làser continu (Ashkin, 1970). A partir d’aquests estudis, Ashkin postulava que la combinació de dos feixos làser podria ser capaç de vehicular partícules en “pous òptics”.

Esquema del funcionament d’una pinça làser d’un sol feix. Un objecte dielèctric (en blau) és atret al centre del feix

En el 1986, el grup d’Ashkin aconseguia per primera vegada la captura òptica de partícules dielèctriques amb la força de gradient d’un sol feix làser (Ashkin et al., 1986). Aquesta trampa, que feia ús de la pressió òptica negativa, funcionava en el medi aquós en partícules de 25 nm a 10 μm. Eventualment, aquest dispositiu fou conegut com a “pinces òptiques”. Ashkin & Dziedzic (1987) aplicaren les pinces òptiques a la manipulació de virus (virus del mosaic de tabac) i de bacteris (Escherichia coli). Ashkin & Dziedzic (1989) aplicaren pinces de làser d’infraroig per a manipular l’interior de cèl·lules vegetals vives. Amb una pinça d’infraroig, Ashkin et al. (1990) arribaren a estimar en 2,6·10-7 dines la força generada per un motor associat a microtúbuls de l’ameba gegant Reticulomyxa. S’introduïa d’aquesta manera una eina de micromanipulació per a la biologia cel·lular.

Polsos òptics d’alta intensitat i precisió

En el desenvolupament de làsers d’alta precisió, hom treballà des del 1970 en la consecució de polsos òptics de la durada més breu possible i de la intensitat més elevada possible. En el 1985, Donna Strickland i Gerard Mourou presentaven un dispositiu per a la compressió de polsos òptics estridents amplificats, amb el qual aconseguien pols làser de 1,06 μm amb amplades de 2 ps i energies de l’ordre de milijoules. Aquesta tècnica, coneguda com a CPA (chriped pulse amplification), funcionava en tres passes:
– 1. Un pols làser ultra-breu procedent d’un làser de mode tancat Nd:YAG és perllongat en el temps (durant 300 ps) dins d’una fibra òptica de manera que se’n redueix el pic de potència original (de l’ordre de nanojoules).
– 2. S’amplifica el senyal en un amplificador regeneratiu de Nd:vidre.
– 3. Es recomprimeix el senyal fins a la durada originària (2 ps), obtenint un pic de potència molt més elevat que l’original (1 mJ).

El grup de Mourou millorà la tècnica substituint, en l’etapa inicial de descompressió, la fibra per un parell de reixetes de difracció (Pessot et al., 1987). Així fou com arribaren a amplificar polsos estridents de l’ordre nanojoules a l’ordre de joules (Maine et al., 1988).

Esquema de la tècnica CPA, que combina seriadament la dispersió, amplificació i recompressió d’un pols òptic. La tècnica CPA ha trobat aplicacions en la recerca bàsica (física de camps forts, estudi de processos que tenen lloc en l’escala temporal d’attosegons, desenvolupament d’acceleradors de làster-plasma), en la medicina (làsers de femtosegons per cirurgies oftalmològiques) i en processos industrials d’alta precisió.

Lligams:

Acceleration and Trapping of Particles by Radiation Pressure. A. Ashkin. Phys. Rev. Lett. 24: 156 (1970).

Compression of amplified chirped optical pulses. Donna Strickland, Gerard Mourou. Opt. Commun. 56: 219 (1985).

Observation of a single-beam gradient force optical trap for dielectric particles. A. Ashkin, J. M. Dziedzic, J. E. Bjorkholm, Steven Chu. Opt. Lett. 11: 288 (1986).

Optical trapping and manipulation of viruses and bacteria. A. Ashkin, J. M. Dziedzic. Science 235: 1517-1520 (1987)

1000 times expansion/compression of optical pulses for chirped pulse amplification. M. Pessot, P. Maine, G. Mourou. Opt. Commun. 62: 419 (1987).

Generation of ultrahigh peak power pulses by chirped pulse amplification. P. Maine, D. Strickland, P. Bado, M. Pessot, G. Mourou. IEEE J. Quantum Electron. QE-24: 398 (1988).

Internal cell manipulation using infrared laser traps. A. Ashkin, J. M. Dziedzic. PNAS 86: 7914-7918 (1989).

Force generation of organelle transport measured in vivo by an infrared laser trap. A. Ashkin, Karin Schütze, J. M. Dziedzic, Ursula Euteneuer, Manfred Schliwa. Nature 348: 346-348 (1990)

Aquesta entrada ha esta publicada en 6. La Civilització. Afegeix a les adreces d'interès l'enllaç permanent.

Deixa un comentari

L'adreça electrònica no es publicarà. Els camps necessaris estan marcats amb *

Aquest lloc utilitza Akismet per reduir el correu brossa. Aprendre com la informació del vostre comentari és processada