Știință&Tehnică își propune să vă poarte într-o călătorie spre superalserul care se construiește la Măgurele, cu ajutorul căruia vor fi investigate tainele profunde ale materiei. Deocamdată, pentru a vă pregăti călătoria, iată care este istoria laserului.

Back
Înainte

Episodul 4

O călătorie de neuitat

Superlaserul care se construiește acum pe platforma de la Măgurele va produce schimbări nu numai în ceea ce privește felul în care înțelegem Universul la scară mică. Așa cum vă spuneam în numărul anterior, prezența acestui superlaser favorizează înființarea unui parc științific și tehnologic, Măgurele Science Park (MSP). Dar efectele colaterale nu se opresc aici.

Așa cum explica dl Nicolae Zamfir, directorul Institutului Naţional de Fizică şi Inginerie Nucleară „Horia Hulubei” pentru Adevărul live, într-o emisiune difuzată pe 9 aprilie, răspunzând la o întrebare legată de tinerii cercetători care vor lucra la ELI-NP:

E un subiect sensibil, dar extrem de important pentru ELI. Nu este vorba numai despre viitorii cercetători de la ELI, ci și de cei care vor lucra la societățile private din jurul ELI. Este un domeniu de vârf, face parte din înalta tehnologie, iar în România ducem lipsă de astfel de specialiști. În lume, există o lipsă de forță specializată.

Trebuie să ne preocupăm de pregătirea acestor tineri. Există oportunități pentru cei care sunt acum pe băncile școlii […] Există preocupări, avem colaborări cu Universitățile din România. La Politehnica din București se vor organiza mastere și programe de doctorat. Unii studenți sunt deja căutați. Partea educațională va fi esențială. Pentru România nu este important numai să avem echipamente de nivel mondial. Scopul ELI este să schimbe ceva în societatea românească

Vă spuneam, în episodul trecut, că laserele clasice au mare limitare. Nu putem crește puterea fluxului emis dincolo de o anumită limită, deoarece se distruge cavitatea optică. S-au încercat tot felul de abordări, printre care și funcționarea laserelor în pulsuri extrem de scurte, dar limitarea a rămas în picioare.

Era nevoie de o idee nouă. Iar ea a venit de la doi cercetători, Gérard Mourou și Donna Strickland, care, în anul 1985, publicau un articol, în Optics Communications, intitulat „Compression of amplified chirped optical pulses”. În rezumatul lucrării, cei doi afirmă următoarele:

Arătăm amplificarea urmată de recompresia unui puls chirped. Prezentăm un asemenea sistem care produce impulsuri laser cu lungimea de undă de 1,06 microni, cu durata de 2 picosecunde și energia de ordinul miliJoulilor

Vă deranjează că nu am tradus „chirped”? Îmi cer iertare, deocamdată nu am găsit echivalentul său în limba română (ciripit nu îmi pare deloc potrivit ca traducere). Să ne oprim o clipă asupra a ceea ce înseamnă un puls „chirped”. Ideea inițială a venit, prin anii 1960, din tehnica radar. Pentru a mări puterea semnalului emis, acesta era comprimat temporal, pulsuri lungi de semnal erau comprimate în unele mai scurte.

Știu că nu folosesc cea mai bună analogie, dar am putea să ne imaginăm un cilindru cu aer în care avem un piston. Putem crește presiunea din tub prin deplasarea pistonului, micșorând astfel volumul aflat la dispoziția aerului. Acum, pentru a finaliza analogia, înlocuiți volumul ocupat de aer cu durata impulsului și presiunea aerului cu puterea semnalului.

Nu am de gând să vă descriu în modul tehnic, obișnuit, principiul de funcționare a unui laser cum este cel ce va fi construit la Măgurele. Ar fi plictisitor și, așa cum mă cunoașteți, îmi plac teribil povestirile. De aceea, vă provoc la un mic exercițiu de imaginație. Vom călători împreună printr-un superlaser. Vă rog să îmi acordați onoarea de a vă fi ghid în această călătorie. Ridic acum bagheta magică și vă transform într-un grup de fotoni. Chiar dacă scapă reprezentărilor noastre uzuale veți fi, în același timp, atât unde, cât și corpusculi.

Abracadabra! Să înceapă călătoria. Nu vreau să vă sperii, dar nici unul dintre voi nu ar trebui să ajungă la capătul drumului. Într-un fel, călătoria noastră ar trebui să fie mai degrabă un soi de ștafetă, existând cel puțin un moment în care veți da viață altor fotoni. Dar, pentru că tot suntem într-o poveste, vom apela la o convenție ad-hoc: pe parcursul călătoriei, vă veți transfigura și veți suferi transformări radicale.

istoria-laserului---stiinta-tehnica-4

Unu. Doamnelor și domnilor fotoni, ne aflăm în punctul de plecare. Suntem într-un laser special, care funcționează în impulsuri foarte scurte ca durată, simultan pe mai multe lungimi de undă.

Pentru că suntem un grup organizat, ne vom îmbarca toți într-un singur impuls, care va dura mai puțin de o picosecundă (durata impulsului aleasă de mine nu este una reală, dar se apropie de valorile folosite în laserele adevărate). Sunteți tare simpatici, multicolori și amestecați. Să nu uit. Verificați dacă ați luat la voi harta călătoriei noastre. Știu că vi se pare de neînțeles, dar oricum nu ne vom abate de la drum.

Vom trece, mai întâi, printr-o oglindă semitransparentă, care nu ne va deranja deloc. Trecem prin ea, în linie dreaptă, fără să ne pese. Apoi, vom ajunge în punctul doi. Un loc un pic mai sofisticat, despre care vă voi povesti de îndată.

Doi. Suntem în „întinzător”. Nu râdeți, vă rog. Nu am găsit o traducere mai bună pentru „stretcher”. De fapt, chestia este simplă. Grupul nostru, care era unul unit, se va lungi acum, și ne vom separa pe culori. Îmi pare rău, o vreme voi fi la distanță mare de unii dintre voi.

Cum facem ca grupul nostru, adică durata impulsului inițial, să se lungească (adică să îi mărim durata)? Pentru asta folosim „întinzătorul” de care aminteam mai devreme. Componenta sa principală este alcătuită din niște rețele de difracție.

Stop! Știți ce sunt aceste rețele de difracție? Am la dispoziție două posibilități. Fie vă fac repede un mic și elegant curs de fizică, de nivel liceal, fie vă ofer un exemplu la îndemâna oricui. Nu prea îmi este la îndemână prima variantă, în fond suntem într-o călătorie de plăcere. O dată ce veți ajunge acasă, cursul cu pricina vă va fi la îndemână, se află la o distanță de numai câteva clicuri. Nu îmi mai rămâne decât să vă ofer exemplul promis, cel care se află la îndemâna oricui.

Aveți un CD? Bănuiesc că știți că informațiile sunt înscrise pe suprafața lui cu ajutorul unui laser. Practic, un fascicul laser foarte îngust trasează pe CD o spirală formată din mici adâncituri, cu ajutorul cărora este codat fișierul. Pasul spiralei (distanța dintre două spire) este de circa 1,6 microni (un micron, în cazul DVD-urilor). Aceste caracteristici fac ca CD-ul (sau DVD-ul) să se comporte ca o rețea de difracție.

Folosiți un CD pentru a proiecta pe un perete lumina Soarelui. Veți observa că pe perete va apărea un frumos curcubeu. Aceasta este una dintre caracteristicile rețelelor de difracție: ele dispersează lumina, în funcție de lungimea de undă, întocmai ca o prismă, deși printr-un mecanism complet diferit. Să nu uităm despre ce vorbim. Vorbim despre întinzătorul în care tocmai am intrat.

Cum reușesc rețelele de difracție să lungească impulsul? Simplu. Uitați-vă pe harta călătoriei noastre. Am figurat acolo traseul urmat de fiecare dintre voi în funcție de culoare. Remarcați ceva? Da, mulți dintre voi și-au dat seama despre ce este vorba, am onoarea să îi felicit. Dar, dați-mi voie să explic, pentru cei care nu au prins ideea.

Unii dintre voi veți fi nevoiți să parcurgeți o distanța mai mare decât alți fotoni din grupul nostru, la fel cum se întâmplă cu alergătorii care aleargă pe culoarele exterioare, în raport cu cei care aleargă pe culoarele interioare ale unei piste de atletism.

Mai concret, acei dintre voi care aveți o lungime de undă mai mică (frecvență mai mare) veți parcurge o distanță mai scurtă decât cei care aveți o lungime de undă mai mare (frecvență mai mică). Și, deoarece viteza voastră de deplasare este aceeași, indiferent de lungimea de undă, asta se traduce printr-o lungire a pulsului inițial.

De obicei, pulsul, după ce a trecut prin întinzător, are o durată de zeci de mii de ori mai mare decât cea a pulsului inițial. Mai devreme spuneam că am plecat, în grup, într-un puls care durează o picosecundă. După ce am ieșit din întinzător, suntem separați pe culori, iar pulsul nostru durează acum câteva zeci de nanosecunde.

Unii dintre voi m-au întrebat ce rol joacă oglinzile și lentilele din întinzător, care sunt reprezentate în harta călătoriei noastre. Răspunsul este simplu: aceste componente optice ne pun în ordine, ne ajută să călătorim pe drumul cel bun, astfel încât să nu suferim pierderi. Acum, după ce ne-am întins, să mergem mai departe.

Trei. Partea asta de drum este lipsită de evenimente. Suntem separați pe culori, ne-am răsfirat, și călătorim către etapa următoare. Din loc în loc, niște oglinzi ne ajută să nu ne rătăcim. Ne pregătim pentru o altă etapă importantă.

Patru. Pregătiți-vă, țineți-vă răsuflarea, intrăm în amplificatoarele optice sau, mai popular spus, în amplificatoarele de lumină. Aici ne vom transfigura și ne vom înmulți!

Fără a intra în prea multe detalii tehnice, aceste amplificatoare de lumină sunt niște lasere, care funcționează pe principiul pe care, dragi fotoni, l-am prezentat în episodul trecut. De aceea spuneam mai devreme că ne vom transfigura. În fond, aceste amplificatoare optice sunt niște lasere, care funcționează pe baza principiului pe care l-am descris, la modul cel mai general, în episodul trecut.

Pentru că ne-am întins destul de mult atunci când am trecut prin întinzător, în această etapă putem să ne amplificăm de un miliard de ori, sau chiar mai mult. Pe harta noastră, nici măcar nu am reușit să prezentăm la scară această amplificare. Dar acum nu desenul este important, ci ideea sugerată de el.

După ce am străbătut amplificatoarele, suntem mult mai mulți, iar durata impulsului rămâne aceeași ca la ieșirea din întinzător. Mai avem de parcurs doar un singur pas până când vom fi puternici. Împreună, timp de câteva femtosecunde (milionimi de miliardimi de secundă) vom fi mai puternici decât toate centralele electrice de pe Terra!

Cinci. Am parcurs un drum lung până acum. Sper că nu ați obosit, pentru că ne așteaptă o etapă foarte importantă. Intrăm în compresor!

Aici, este ușor de înțeles, vom parcurge un proces invers celui din întinzător. Adică în loc ca pulsul de fotoni să dureze nanosecunde, ne vom înghesui în numai câteva femtosecunde. Asta ne va da puterea de care aminteam mai devreme. Așa cum vedeți în harta noastră, din nou sunt folosite rețele de difracție.

De această dată, ele vor lungi drumul parcurs de acei dintre voi care aveți o lungime de undă mai mică față de cei dintre voi care aveți o lungime de undă mai mare. Din acest motiv, se mai spune despre compresor că este un întinzător inversat.

Șase. Acum, după ce ieșim din compresor, drumul nostru se apropie de sfârșit. Nu ne mai rămâne nimic altceva de făcut, decât să ne izbim, cu puterea a 10 petawați (un petawatt este egal cu un milion de miliarde de wați), de ținta aleasă de către oamenii de știință.

De ce avem nevoie de un laser atât de puternic? Da, aceasta este o întrebare foarte bună, pe care m-am grăbit să o enunț mai înainte să mi-o puneți voi. Vă rog să remarcați că întrebarea este firească și simplă. Cu răspunsul este un pic mai dificil și, în acest episod, voi da numai câteva indicii, la modul cel mai general.

V-ați imaginat vreodată că lumina exercită o presiune asupra voastră? Valoarea ei este atât de mică, încât nu contează. În schimb, în spațiul cosmic, o putem folosi pentru a propulsa sonde spațiale cu ajutorul unor vele solare, chiar dacă forța generată este mult mai mică decât greutatea unei coli de hârtie.

În cazul unui superlaser, cum este cel ce va funcționa la Măgurele, presiunea generată de fasciculul laser este enormă, de-a dreptul incredibilă. Iertați-mi exprimarea, aparent, tabloidă, dar cred că presiune de sute de miliarde de ori mai mare decât presiunea atmosferică este atât enormă, cât și incredibilă.

La asta trebuie să mai adăugăm densitatea de putere, care atinge valori mai mari de 10 la puterea 23 W/cm2 (asta înseamnă o sută de mii de miliarde de miliarde de W/cm2). Din nou, o valoare enormă, o valoare incredibilă. Să vă mai spun că fasciculul laserului de la Măgurele va genera un câmp electric mai mare decât 10 la puterea 15 V/m (un milion de miliarde V/centimetru).

Dacă cifrele, oricât de enorme și incredibile ar fi ele, nu vă spun mare lucru, am să adaug o consecință a lor: densitatea de energie a fasciculului laserului de la Măgurele va fi mai mare decât cea pe care o întâlnim în stele, iar câmpul electric asociat fasciculului este atât de mare încât smulge electronii din jurul nucleelor.

Sper că v-am stârnit curiozitatea. Așa cum se cuvine în povești, am învățat asta de la Șeherezada, vă las acum. În episodul următor, vă povestesc cum vor folosi laserul de la Măgurele cercetătorii din lumea întreagă, pentru a desluși tainele profunde ale Universului.

Back
Înainte