Optická pinzeta a světelný záblesk

Nobelova cena za optickou pinzetu a za triky, jak zvýšit výkon a nezničit aktivní prostředí laseru.

Nobelovský výbor odměnil v r. 2018 výjimečné výsledky tří fyziků pracujících v oblasti laserové fyziky. Jednu polovinu ceny (tj. 4,5 milionu švédských korun) získal Američan Arthur Ashkin (*1922, New York) za vynález optické pinzety a její aplikaci na biologické systémy. Druhou polovinu ceny si rozdělili Francouz Gérard Mourou (*1944, Albertville) a jeho doktorandka Kanaďanka Donna Stricklandová (*1959, Guelph) za metodu tvorby vysoce intenzivních ultrakrátkých optických impulzů. Obě poloviny ceny byly uděleny „za přelomové vynálezy na poli laserové fyziky“, jak zaznělo ve zdůvodnění nobelovského výboru.

Arthur Ashkin vytvořil optickou pinzetu v Bellových laboratořích v New Jersey. K svému vynálezu dospěl ve třech krocích, jak vysvětlil na tiskové konferenci nobelovského výboru 2. října 2018 prof. Mats Larsson ze Stockholmské univerzity. Ashkin si uvědomil, že může využít tlak laserového svazku ve směru jeho šíření a tím směrem posunout mikrometrickou transparentní kuličku, dále že laserový svazek není homogenní, uprostřed je nejintenzivnější, takže kulička je v důsledku gradientu záření tažena doprostřed svazku, a konečně, sfokusoval svazek čočkou, takže kuličku zachytil ve fokusu jako v pasti. Přelomovým momentem výzkumu bylo, když A. Ashkin prokázal, že může tímto způsobem „uchopit“ virus, bakterii nebo živou buňku a posunout je, aniž by byly živé mikroorganismy zničeny.

Jak k těmto třem stadiím tvorby optické pinzety dospěl?

O tlakové působení záření se A. Ashkin zajímal už během druhé světové války, kdy pracoval v Columbia Radiation Laboratory na mikrovlnném magnetronu. Z čiré zvědavosti si zkoušel, zda magnetronové záření o vlnové délce 3 cm může vyvíjet tlak. A zjistil, že ano! V padesátých letech pak pracoval nejprve na Cornellově univerzitě v Ithace, kde se zabýval srážkami elementárních částic, v roce 1956 už byl zaměstnán v Bellových laboratořích a studoval chování elektronového svazku v magnetických polích. Tam slyšel o zvláštním pohybu malých částeček uvnitř rezonátoru laseru s viditelným světlem – a vzpomněl si na své pokusy s magnetronem. Když počítal velikost radiačního tlaku sfokusovaného laserového svazku o výkonu 1 W na malou kuličku o poloměru velkém přibližně jako vlnová délka použitého světla, tj. kolem 0,5 mikrometru, zjistil, že laserový svazek na ni působí silou F ≈ 10^–8 newtonů. To je síla velmi malá, ale při velmi malých rozměrech částice vyjde zrychlení a = F/m ohromné: ≈10⁶ m/s². Je to zrychlení přibližně 100 000krát větší, než je gravitační zrychlení! K demonstraci tohoto jevu provedl A. Ashkin jednoduchý experiment, pozorovaný v mikroskopu: do skleněné misky se suspenzí průhledných latexových kuliček a vody sfokusoval čočkou laserový svazek o výkonu 1 mW. Laserové světlo skutečně uvedlo kuličky do pohybu ve směru laserového svazku! Pozoroval však ještě něco nečekaného: kuličky latexu byly vtahovány do osy svazku, do míst, kde byla intenzita elektrického pole svazku největší. Jakmile se na osu svazku dostaly, zůstaly tam a pohybovaly se vpřed ve směru svazku. U stěny misky vytvořily shluk. Když byl laserový svazek zablokován, kuličky se Brownovým pohybem vracely zpět. Závěr byl zřejmý: radiační tlak vtahuje kuličky do osy laserového svazku a zároveň je ve směru svazku posouvá. Základní princip umožňující realizaci optické pinzety byl objeven!

Byla to zjištění zásadního významu a A. Ashkin chtěl přirozeně výsledky publikovat v prestižním časopise. Rozhodl se pro vysoce ceněný Phys. Rev. Letters. Tehdy však byla v Bellových laboratořích praxe, že před odesláním do časopisu musel článek prohlédnout anonymní interní oponent, aby se předešlo eventuálnímu poškození dobrého jména firmy. Dotyčný oponent článek pro publikaci v Phys. Rev. Letters zamítl, že v něm sice není žádná chyba, ale není v něm žádná nová fyzika. Tehdejší ředitel Bellových laboratoří ale zaslání do časopisu podpořil. Byl to první článek na toto téma a je dodnes z prací A. Ashkina nejcitovanější – více než 2500krát. Ne všichni ředitelé Bellových laboratoří však byli takto prozíraví. Jeden z pozdějších svému zaměstnanci řekl: „Optické zachytávání atomů nebude nikdy fungovat a vy byste na tom už neměl pracovat!“ Naštěstí neposlušný zaměstnanec na problému pracovat nepřestal.

Velké překvapení čekalo A. Ashkina v r. 1986, kdy zkoušel použít optickou pinzetu v živém mikrosvětě. Pozorovali tehdy s J. M. Dziedzicem, který byl jeho spolupracovníkem od samého začátku a je spoluautorem mnoha pozdějších slavných článků, optické zachycení viru tabákové mozaiky, což je virus ve tvaru tyčinky a šel zachytit velmi dobře. Během času si ale všimli rostoucího množství pohyblivých a poměrně velkých částic v blízkosti optické pasti vytvořené sfokusovaným svazkem argonového laseru. Usoudili, že došlo k náhodné kontaminaci vzorku nějakými bakteriemi. Pod mikroskopem zjistili, že jde skutečně o bakterie, které se při svém pohybu také nejprve dostaly do optické pasti a světlo laseru silně rozptylovaly. Během času však přešly do jakéhosi ustáleného stavu, který znamenal, že byly usmrceny. Oba pozorovatelé došli k závěru, že je postupně usmrtilo viditelné světlo argonového laseru (vlnová délka ≈0,5 μm). Když ale použili laser o vlnové délce ≈ 1 μm, bylo možno bakterie udržovat izolované v optické pasti po několik hodin, a dokonce ohromující výsledek, publikovaný později v prestižních časopisech Science a Nature [1] a [2]. Vítězné tažení optické pinzety při aplikaci v biologii je zřejmé i z dalších publikací, např. v Nature r. 1990 [3]. Obr. 1 tuto aplikaci demonstruje: Do optické pinzety je uchopena polystyrenová mikrokulička (~0,5 μm), ke které je připevněn molekulový motor kinezin. Ten se pohybuje po buněčném mikrotubulu a vytahuje kuličku z optické pasti. Pohyb kuličky je monitorován. Při určitém nastavení velikosti optické pasti dojde k přetržení vazby mezi kinezinem a mikrotubulem a kulička se vrátí zpět do pasti. Tento typ experimentů umožnil určit nejen vazebnou sílu kinezinu, ale i délku jeho „kroku“ po cytoskeletu. Optická pinzeta tak poskytla úžasnou možnost studovat mechanismy transportu v buněčném mikrosvětě.¹⁾

Pohyb molekulového motoru uvnitř světelné pasti.Schéma © Johan Jarnestadt, the Royal Swedish academy of Sciences, upraveno.

Ještě dodejme, že Arthur Ashkin je veden jako nejstarší laureát Nobelovy ceny, vloni mu bylo 96 let. Po oznámení o udělení ceny řekl, že je překvapen, že cenu dostal, že však nemůže dávat žádná interview, protože je zaneprázdněn prací na svém současném důležitém článku o solární energii. Ocenění mu jistě ale přineslo zadostiučinění, protože jeho práce stála u zrodu dalších objevů, např. laserového chlazení, za které obdržel jedná třetinu Nobelovy ceny v r. 1997 jeho kolega Steven Chu, a dále v r. 2001 byla udělena společná cena třem laureátům za Boseho-Einsteinovu kondenzaci atomů. Rozhodnutí nobelovského výboru jsou někdy hůře pochopitelná, ale v případě Arthura Ashkina je udělení určitě správné, jen snad mělo přijít dříve.

Jestliže první polovina ceny se týkala aplikací specifických vlastností laserového svazku, kdy stačil jen slabý výkon do 1 W, pak druhá polovina ceny byla udělena za vytvoření vysoce výkonného laserového svazku. Již od první realizace laserového světla v r. 1960 Američanem T. Maimanem neustávala snaha výkon laserů zvyšovat. V případě pulzních laserů buď zvyšováním energie pulzu, anebo zvyšováním opakovací frekvence pulzů. Byly vypracovány techniky jako Q-switching, kdy se kvalita rezonátoru laseru udržovala po určitou dobu na velmi nízké úrovni, takže čerpací energie vkládaná do laserového prostředí stále narůstala. V určitém okamžiku se optická dráha v rezonátoru skokově uvolnila a vznikl vysoce energetický laserový pulz. Tato metoda se od svého vzniku v r. 1961 užívá velmi účinně dodnes. Aby se zvýšil výkon laseru, přidal se k laserovému oscilátoru generujícímu sice slabý, ale kvalitní laserový svazek zesilovač a vytvořil se systém MOPA (Master Oscillator – Power Oscillator), rovněž užívaný dodnes. Zvyšování výkonu zesilovaného pulzu však má svou mez, za kterou už následuje zničení laserujícího materiálu. Tomu lze do určité míry zabránit: zvětší se průměr zesilovačů, čímž se sníží intenzita laserového svazku, takže to materiál v následujícím zesilovacím stupni vydrží. I tato metoda je využívána nadoraz. Vysoce výkonné lasery s energií v pulzu více než 1 kilojoule a délkou pulzu ~ 1 nanosekunda (10^–9 s) jsou potom větší než poschoďové domy. Současně s technikou Q-switching byla vyvíjena technika mode-locking. Tato metoda umožnila zkrátit laserové pulzy o dané energii pod 1 pikosekundu (10^–12 s), což pochopitelně také znamenalo zvýšení výkonu.

Zmíněné hlavní techniky navyšování pulzního výkonu laserových zesilovačů byly během šedesátých let minulého století dovedeny k dokonalosti a začátkem sedmdesátých let a v letech dalších už bylo patrné, že navyšování intenzity laserového svazku v ohnisku při jeho fokusaci – protože o to v klíčových světových experimentech šlo – už pokračuje jen pozvolna. Situaci znázorňuje obr. 2. Na tvaru křivky, která představuje maximální ve světě dosažené intenzity laserových svazků, vidíme, že v r. 1985 došlo ke zlomu. V tomto roce představili D. Stricklandová a G. Mourou v článku [4] svou metodu navýšení výkonu laserového pulzu, za kterou jim byla vloni udělena Nobelova cena. V čem spočíval ten skvělý nápad?

Vývoj intenzity laserového záření během let.Schéma © Johan Jarnestadt, the Royal Swedish academy of Sciences, upraveno.

Začátkem osmdesátých let minulého století bylo už naprosto jasné, že další zesilování velmi krátkého a zároveň vysoce energetického laserového pulzu má svou mez, kde se začne projevovat samofokusace svazku vedoucí k zničení následujícího zesilovacího stupně. Jak tuto bariéru překonat a výkon laserového pulzu dál navyšovat? – Doktorandka D. Stricklandová na Rochesterské univerzitě si tuto otázku jistě kladla mnohokrát v diskusích se svým školitelem G. Mourouem. Kdyby tak šlo ten zesilovaný laserový pulz před vstupem do dalšího zesilovače časově natáhnout, zmenšila by se jeho intenzita a zesilovač by se nezničil. Ovšem jakmile se v zesilovači pulz zesílí, je potřeba ho vrátit zase do původní délky, jinak by se jeho výkon nijak podstatně nezvýšil. Jde to udělat? – Jde! Klíčovým faktem je skutečnost, že každý ultrakrátký pulz (tj. pulz o délce ≤1 pikosekunda) je složen z mnoha a mnoha vlnových délek. Pokud proženeme tento pulz nějakým silně disperzním prostředím, tj. prostředím, kde se záření o různých vlnových délkách šíří různou rychlostí, dojde k samovolnému prodloužení pulzu, protože jeho jednotlivé vlnové délky budou mít při průchodu prostředím každá jinou rychlost. Takové disperzní prostředí D. Stricklandová a G. Mourou vytvořili. Na obr. 3 je moderní schéma techniky oceněné nobelovským výborem. Krátký pulz z předchozího zesilovače přichází na dvojici optických difrakčních mřížek tvořících tzv. roztahovač, anglicky stretcher. Ten je nastaven tak, že nejdelší vlnové délky opustí mřížkový systém nejdřív a nejkratší nejpozději. Takto upravenému pulzu se říká, čerpovaný pulz (pozor! – nezaměňovat s „čerpací“, také se používá termín rozmítaný pulz), anglicky chirped pulse. Původní, např. ~10 femtosekund (10 × 10^–15 s) dlouhý pulz lze takto v čase roztáhnout 1000krát i více! Ten se pak už bez problémů zesílí v následném zesilovači, aniž by ho zničil.

Princip metody CPA – Chirped Pulse Amplification.Schéma © Johan Jarnestadt, the Royal Swedish academy of Sciences, upraveno.

Po výstupu ze zesilovače už má pulz velkou energii, ale je zatím dlouhý. Proto se nechá projít podobným systémem difrakčních mřížek, jako je v roztahovači, avšak s opačným znaménkem disperze: nejprve projdou nejkratší vlnové délky, ty nejdelší nakonec. Tento druhý systém mřížek se nazývá kompresor. Výchozí pulz je pak stejně dlouhý jako původní, avšak má mnohem větší energii.

Tato technika zesilování laserových pulzů dostala název Chirped Pulse Amplification, CPA. Důsledek tohoto skvělého nápadu je viditelný na obr. 2: průběh křivky počínaje r. 1985 se stal opět strmým. Tato technika umožnila postavit v r. 1999 první petawattový (10¹⁵ W) laser na světě v Lawrence Livermore National Laboratory v USA.²⁾

Podívejme se nyní trochu do zákulisí tohoto vynálezu. Ve zmiňované studii D. Stricklandové a G. Mouroua je v citacích uvedena práce z oblasti radarových vln, ve které se tito autoři inspirovali. V radarových systémech se místo silného a krátkého signálu vysílá prodloužený pulz, který je intenzitně slabší. Ten se odrazí od předmětu a po návratu se zkomprimuje, přičemž informace, kterou nese, se neztratí. D. Stricklandová a G. Mourou, podobně jako i jiní autoři, z nichž některé citují, přenesli tuto techniku do optické oblasti. V jejich nejcitovanějším (téměř 2200krát) článku z r. 1985 použili jako časový roztahovač 1,4 km dlouhé optické vlákno, kompresorem byla dvojice difrakčních mřížek. Podstatné v jejich experimentu bylo, že roztažený laserový pulz zesílili v regenerativním zesilovači, takže nevadilo, že v důsledku absorpce v optickém vlákně byl původní laserový svazek oslaben, zesilovač vše „dohnal“. V současné době se už dlouhá optická vlákna ve funkci roztahovače používají v mnohem menší míře. Protože o znaménku disperze rozhoduje vzájemné postavení difrakčních mřížek, lze dvojici difrakčních mřížek použít též jako roztahovač, jak ukazuje obr. 3. Vývoj systému stretcher-compressor šel dále, v současnosti se kromě dvojic mřížek používají ve vysokovýkonných laserových systémech vláknové a objemové krystalické mřížky Braggova typu.

Při prohlížení publikací předcházejících oceněnému článku narazíme např. na článek publikovaný v r. 1974 na Kalifornské univerzitě v Livermore [5]. Je z doby, kdy se hledaly laserové systémy pro laserovou fúzi, tj. lasery s vysokým výkonem a krátkým pulzem. Tehdejším laserovým fyzikům bylo jasné, že vysoká intenzita laserového svazku vede ke škodlivé samofokusaci a že je třeba intenzitu snížit, potom pulz zesílit v zesilovači a následně zkomprimovat. V článku samotném je navržen kompresní systém (několik speciálních interferometrů), který zkracuje pulz o délce 1 ns na 125 ps. Potřebné rozšíření spektra pulzu a chirp, tj. časovou posloupnost vlnových délek v pulzu, se pro dosažení komprese získalo ve skle samotného 2 m dlouhého laserového zesilovače s aktivním prostředím Nd:sklo. Oba autoři se tématem zabývali i v následujícím článku, kde zjišťovali, zda by dvojice difrakčních mřížek mohla sloužit jako kompresor. Toto vše se odehrálo již 10 let před oním slavným článkem D. Stricklandové a G. Mouroua. Odkaz na tyto práce kolegů z Livermore v jejich článku uveden není.

V souvislosti s odměněnou technikou CPA bych ještě ráda upozornila na litevskou laserovou skupinu z Univerzity ve Vilniusu, která v r. 1992 obrovskou měrou přispěla ke zdokonalení a rozšíření této techniky [6]. Technika CPA je totiž použitelná pouze u laserů, jejichž pulzy mají dostatečnou spektrální šířku, tj. záření v pulzu se nese na spoustě vlnových délek. Pokud tomu tak není, není možné vytvořit chirp, a bez „čerpování“ nelze prodlužovat. V citovaném článku je navržena technika, která spojuje techniky OPA (Optical Parametric Amplification) a CPA následujícím způsobem: do vhodného opticky nelineárního krystalu se synchronně přivedou dva pulzy: mohutný čerpací pulz ze silného laseru a slabý signálový pulz, který je širokopásmový, původně velmi úzký, ale pomocí „čerpu“ je roztažen na stejnou délku, jako má čerpací pulz. V nelineárním krystalu dojde k přenosu energie z mohutného čerpacího pulzu do slabého signálového, takže pulz, který opouští krystal, má všechny dobré optické vlastnosti signálového pulzu, ale je stejně mohutný jako čerpací pulz. Tento zesílený signálový pulz je potom v kompresoru zkrácen na délku, jakou měl původní signálový svazek před roztažením v roztahovači. Technika se nazývá OPCPA (Optical Parametric Chirped Pulse Amplification) a používá se téměř ve všech světových vysokovýkonných (>1 petawatt) laserových systémech. Je též klíčovou technikou použitou v laserovém komplexu ELI-Beamlines v Dolních Břežanech.

Závěrem shrňme přínos laureátů loňské Nobelovy ceny: a) technika optického zachycení a mikromanipulace s částicemi o velikosti desítky mikrometrů až zlomky nanometru za pomoci laseru umožnila převratné děje ve fyzikálních, chemických a biologických vědách; b) technika CPA umožnila konstrukci mohutných laserových systémů, které vytvářejí hustotu elektromagnetického záření na Zemi jinak nedosažitelnou a srovnatelnou s hustotou záření ve vesmírných objektech. Lze říci, že Nobelova cena za fyziku je ve správných rukou.

Článek vznikl v rámci projektů MŠMT LO 1602 a LM 2015086.