Исследователи создали высокоэнергетический и узконаправленный лазер, испускающий луч в ультрафиолетовом свете. Ученые и инженеры будут способны использовать этот чрезвычайно мощный прибор, чтобы измерять и управлять объектами в масштабе миллимикрона.

Размер был главным препятствием к развитию, или даже наблюдением за поведением крошечных компонентов для компьютеров следующего поколения и устройств, работающих по нанотехнологиям, потому что эти объекты могут быть меньшими, чем длина световой волны, освещающей их. В то время, как электронные микроскопы и другие устройства для просмотра могут рассмотреть малые структуры, множество измерений по оценке размеров требуют наблюдений на оптических микроскопах, а пределы оптики ограничены длиной волны, идущей от предмета под микроскопом.

Команда ученых во главе с Маргарет Мернан и Генри Каптеином из Университета Колорадо, под управлением Национального Института Стандартов и Технологии и при поддержке Национального Научного Фонда (ННФ) и Министерства Энергетики США, разработали новый источник короткой длины волны.

Результаты исследований опубликованы 19 июля в выпуске журнала Science за авторством Рандая Бартелса, члена исследовательской группы.

Эти результаты могут иметь большое влияние на науку и технику в течение многих последующих лет. Свет в ультрафиолетовом диапазоне имеет длину волны лишь в десятки миллимикронов, может иметь очень короткий импульс, который позволит измерить быстрые взаимодействия между маленькими частицами и имеет особенности, которые позволяют не взаимодействовать ему со светом близкой длины волны, тем самым, исключая шумовое воздействие другими источниками ультрафиолетового света (УФС). УФС позволит использовать то богатство возможностей, которые предлагают нам нанотехнологии, разрешив взаимодействия на уровне отдельной молекулы.

Для создания импульсов УФС исследователи вызвали процесс высоких гармонических колебаний электронов в среде газа. Чтобы достичь этого, ученые запустили лазерный луч видимого света в газ, создавая тем самым сильное электромагнитное поле. Поле ионизировало газ, отделяя электроны от их родительских атомов. Электроны сталкивались с ионизированными газовыми атомами. Это вызывало колебания их назад и вперед в пределах области электромагнитного поля. В результате, хорошо синхронизированный поток фотонов выстреливал из системы, повышенной до уровня высоких энергий, в чрезвычайно стабильном узком пучке света ультрафиолетовой длины волны. Конечное изделие - это созданный лазер мультимегаваттной мощности, который работает без использования прямой эмиссии радиации. Это открывает возможности для широкого использования этого прибора в научных исследованиях и при производстве, которые ограничивал лазер, работающий на испускании радиации (что очень опасно для человека). Луч созданного лазера столь сосредоточен и узок, что при правильной настройке, его выходной поток мог бы иметь диаметр, который был бы меньше самого узкого лазерного луча в мире, он был бы в 20 - 30 раз меньше, чем самый распространенный гелио-неоновый лазер и в несколько сотен раз более интенсивнее его по уровню гармонических колебаний. Длительность импульса такого лазера составляет только 1 квадрилионную секунды.

Если этот луч запустить в газ, он ионизирует его, заставляя ионы колебаться. Результат - высокоэнергетический лазерный луч, но не узконаправленный. Чтобы создать высокоэнергетический и одновременно узконаправленный источник, который превышает по показателям существующие лазеры и занимает меньше места, команда исследователей разработала настольную установку, которая испускает более короткий пульс видимого света в структурированный волновод - маленькое, заполненное газом-аргоном волокно. Волновод помогает управлять процессом создания высоких гармонических колебаний, образуя нужный высокоэнергетический и узконаправленный лазерный луч. Эта установка может использоваться и чтобы создавать простые голограммы.

Как пример оценки мощности такого лазера, можете представить себе, что сантиметровый луч этого лазера, выпущенный с Земли на Луну, там бы дал пятно диаметром в 30 метров, а обычный лазер при таком же исходном размере выходного пучка, образовал бы на Луне пятно диаметром в 1 км. Поэтому, степень эффективности такого лазера очень велика и позволит вывести науку и технику на кардинально новый уровень развития, повысив точность физических, медицинских, биологических, астрометрических и геодезических измерений, не говоря уже о том, что его применение в бытовой электронике и компьютерах, позволит вывести их развитие на новый виток.

Информация для контакта:

Filbert Bartoli, (703) 292-8339, fbartoli@nsf.gov