Annons

Bild: 
Istock

Verktygslåda av laserstrålar

Genom att utnyttja ljusets knuffande egenskaper är det möjligt att fånga in, hålla fast och flytta mycket små partiklar. På så sätt går det att manipulera såväl celler som molekyler. Och med hjälp av extremt korta laserimpulser kan man i dag göra ögonoperationer som tidigare var omöjliga att genomföra. 2018 års Nobelpris i fysik belönar banbrytande uppfinningar inom laserfysiken, som båda har gett upphov till en hel rad nya verktyg och tekniker.

Publicerad:

2018-12-27

När lasern uppfanns på 1960-talet hade den en aura av science fiction omkring sig: en samlad ljusstråle som kunde färdas långt, utan att varken spridas ut eller tappa intensitet. Laserljuset var nära nog perfekt enfärgat – och alla ljusvågorna svängde i takt. Vad skulle en sådan stråle kunna användas till?

Science fiction-berättelser, från H.G. Wells Världarnas krig och framåt, fylldes av strålar med märkliga egenskaper. Det skrevs om dödsstrålar och spionstrålar, om dragstrålar som kunde fånga in föremål och om skärande nålstrålar som kunde göra hål i vad som helst. De här fantastiska fantasierna färgade förmodligen av sig på vad människor hoppades kunna göra med laser. Men till att börja med visste ingen vad som skulle vara möjligt.

CPA – chirped pulse amplification.

Bild: 
Johan Jarnestad

Numera har laser blivit ett oumbärligt verktyg i allt från vanliga cd-spelare till de mest avancerade kvantfysikexperimenten, och årets Nobelpristagare i fysik har gett upphov till flera viktiga användningsområden. Hälften av priset går till Arthur Ashkin som uppfann ett sätt att använda laser som en extremt fin pincett, som kan greppa enskilda celler och molekyler. Den andra hälften tillfaller Gérard Mourou och Donna Strickland för deras metod att göra mycket korta och intensiva laserpulser.

Arthur Ashkin utgick från en gammal observation av att ljus kan utöva ett tryck. Det är samma fenomen som skapar en del av svansen på en komet, som trycks bort av solens strålar, och som kan driva fram små farkoster i rymden med hjälp av solsegel.

Arthur Ashkin experimenterade med att använda strålningstrycket från laserljuset för att förflytta små partiklar. Då upptäckte han att partiklarna drogs mot mitten av laserstrålen. Det beror på att strålen är starkast i mitten. Ett litet föremål som hamnar i strålens väg fångar in ljus och bryter det, ungefär som en lins. Eftersom det finns mer ljus i mitten av strålen är det mer ljus som böjs av från strålens centrum och utåt än som böjs från strålens kant och inåt. Den motriktade kraften på föremålet riktas därför in mot strålens centrum. Laserstrålen kan alltså användas för att fånga och hålla fast små föremål. Detta blev grunden för den optiska pincetten.

Genom att forma laserstrålen eller använda flera strålar samtidigt kan en liten partikel hållas fast och med stor precision kontrolleras i tre dimensioner.

På det här sättet har forskare fått ett mycket kraftfullt redskap för att manipulera celler, delar av celler och även enskilda molekyler. Den optiska pincetten används för att utforska bland annat cellens maskineri.

Korta ljuspulser skonar vävnaden Med korta, intensiva laserpulser går det att opererera med stor precision utan att skada intilliggande vävnad.

Uppfinningen av korta laserpulser belönas med andra hälften av årets fysikpris, även det är en uppfinning som har fått många användningsområden. Den allra mest vardagsnära tillämpningen är operationer för synkorrigering. Laserpulserna ger hög effekt, men under så kort tid att den totala mängden energi blir liten. På så vis går det att göra precisionssnitt genom hornhinnan utan att den vävnad som ligger intill hettas upp och skadas.

För att framställa så korta och intensiva pulser sträckte Gérard Mourou och Donna Strickland först ut en laserpuls i tiden, så att den blev lång och svag. Därefter förstärkte de pulsen, för att till slut trycka ihop den igen. På så vis samlades pulsens hela energi ihop till en mycket kort signal. Principen låter enkel, men det var en stor teknisk utmaning att lyckas första gången.

Det här Nobelprisbelönade arbetet var Donna Stricklands allra första publikation som ung doktorand. Gérard Mourou var hennes handledare.

– Men man kunde inte få en doktorsexamen i fysik för att bygga ett nytt lasersystem, så vi var noga med att lasern skulle användas för en fysikstudie, berättar Donna Strickland för F&F.

Efter det första lyckade försöket fick en annan person ta över och bygga en större laser, medan Donna Strickland arbetade vidare för att göra experimenten för sin avhandling.

Så blev ljuset ett gripande verktyg

Arthur Ashkin utgick från kunskapen att ljusstrålar kan förflytta partiklar. Detta fenomen är en del av förklaringen till hur kometer får sin svans; att solens strålar knuffar bort partiklar från kometens atmosfär.

1. Arthur Ashkin gjorde försök med att manipulera föremål, här i form av små genomskinliga kulor, med hjälp av strålningstrycket från laserljus.

2. Han observerade då en oväntad effekt: kulorna dras mot mitten av ljusstrålen. Det beror på att ljusstrålen har högre intensitet i centrum – man säger att ljusstyrkan har en gradient. Kulorna bryter ljuset, och ändrar dess riktning. Det finns mer ljus som kan böjas av från strålens inre ljusstarkare inre del mot den yttre än åt andra hållet. Kulan utövar en kraft på ljuset, och ljuset ger då en lika stor men motriktad kraft på kulan, som dras mot strålens inre del.

3. Genom att fokusera laserljuset med en lins kunde Arthur Ashkin ställa in gradientkraften så att den också balanserade strålningstrycket. På så vis kan kulan hållas kvar i en punkt. Det här fungerar på samma sätt även för föremål som inte är kulor.

Tanken var först att hennes avhandling skulle handla om att skapa höga övertoner i laserljuset – ett fenomen som numera ligger till grund för attosekundfysiken, som vi skrev om i F&F 5/2018. Och Donna Strickland avslöjar att huvudpersonen i vårt reportage om attosekundfysik – Anne L’Huillier, som är verksam vid Lunds universitet – också spelade en roll för vilken riktning hennes egen forskning skulle ta:

– Plötsligt, en bit in i min doktorandtid, var det Anne L’Huillier och en grupp andra – jag kan inte nämna namnen på allihop – som såg den tjugotredje övertonen eller något åt det hållet. Medan jag fortfarande försökte se något ljus alls!

Det ledde till att Donna Strickland övergav det spåret, för att i stället börja studera atomer som joniseras då de absorberar flera fotoner samtidigt. Men själva lasern har ändå alltid varit hennes passion, från det ögonblick då hon läste om den i kurskatalogen.

– Jag tänkte att wow, det här verkar så coolt, jag måste studera laser! Och det har alltid varit kul. Det är mycket hårt arbete också, men jag kan inte tänka mig att göra något annat.

Vägen mot allt kraftigare laserpulser.

Forskning & Framsteg berättar om fackgranskade forskningsresultat och om pågående forskning. Våra texter ska vara balanserade och trovärdiga, och sätta forskningsresultaten i sitt sammanhang för att göra dem begripliga. Forskning & Framsteg har rapporterat om vetenskap sedan 1966.