Umeå har nu Sveriges kraftfullaste laser: ”Unikt system”

2022-11-15 13:18  

Den nya svenska lasern kan fotografera hur elektroner rör sig i atomer och molekyler. För att möjliggöra detta genererar lasern i ett mycket kort ögonblick mer energi än resten av världen.

Sverige har fått en ny laser som är den kraftfullaste i landet. Med hjälp av lasern kan extremt små rörelser fotograferas, till exempel hur elektroner rör sig i olika material. László Veisz är forskningsledare för Relativistic attosecond physics laboratory och professor vid institutionen för fysik vid Umeå universitet. Hans forskningsgrupp har utvecklat den nya lasern. 

– Systemet som vi kallar för Light wave synthesizer 100 är en unik kombination av väldigt hög toppeffekt och väldigt kort pulslängd. Det finns system med högre toppeffekt i världen, men det är kombinationen med pulsens korthet som gör vårt system unikt, säger László Veisz. 

Lasern har en toppeffekt på 100 terawatt (1 TW = 10^12 W) och skapar pulser om 4,3 femtosekunder (1 fs = 10^-15 s). För att förklara hur kraftfull en sådan laser är jämför László Veisz toppeffekten med all energi som generas av mänsklig verksamhet på jorden vid ett givet tillfälle. I det räknas till exempel olika sorters kraftverk och drivmedelsanvändning in.    

– Under 2021 var den genomsnittliga effekten 20 terawatt på jorden, vår toppeffekt är fem gånger större. Under pulsens få femtosekunder genererar vi mer energi än hela världen, men världens energiproduktion är självklart kontinuerlig, säger han.

László Veisz är forskningsledare för Relativistic attosecond physics laboratory och professor vid institutionen för fysik vid Umeå universitet. Foto: Privat

Vad ska lasern användas till?

Laserns unika egenskaper gör att den kan användas för ultrasnabb fotografering. Till exempel för att fotografera elektronrörelser – för att lyckas med det används lasern dock först för att skapa ännu kortare ljuspulser.

– En av huvudtillämpningarna är att lasern kan generera en ännu kortare ljuspuls. För att göra detta, särskilt isoleringen av den korta pulsen, är det viktigt att den ursprungliga laserpulsen bara innehåller en, eller åtminstone mindre än två, optiska oscillationer. Och det är väldigt svårt att göra, säger László Veisz.

Vad är optiska oscillationer? 

– Ljus är elektromagnetiska vågor med särskilda våglängder. Vår laser har en kort puls och bred bandbredd från 580 till 1 010 nm med en centralvåglängd på 750 nm. Det betyder rent fysikaliskt att det elektriska fältet oscillerar med en period på 750 nm, beskrivet i tid så är perioden 2,5 fs. Vår laserpuls som är på runt 4,3 fs innehåller då färre än två sådana oscillationer, säger László Veisz.

Att pulsen som skapas av den kraftfulla lasern innehåller färre än två optiska oscillationer blir viktigt vid generationen av en isolerad kortare ljuspuls. Processen för att skapa de kortare pulserna kallas High harmonic generation. 

– Vi belyser särskilda objekt, så som gaser eller fast mål, med laserpulser. Då, under extremt olinjära interaktioner så genereras röntgenstrålar. Röntgenstrålarna är koherenta och motsvarar en attosekundspuls, säger László Veisz. 

En attosekund (10^-18 s) är för en sekund vad en sekund är för universums livslängd. Och för att kunna skapa enskilda pulser som är så korta behövs en laser likt den forskningsgruppen i Umeå tagit fram – alltså en med färre än två optiska cykler per laserpuls.

– Varje optisk cykel genererar en eller två attosekundspulser, en typisk laser ger upp till tio pulser. Huvudtillämpningen av detta är sedan att använda attosekundspulsen för ultrasnabb fotografering. Pulsen används som en kamerablixt för att fotografera väldigt snabba rörelse, säger László Veisz.

Vad är så snabbt att man behöver attosekundspulser?

– Elektroners rörelse, det vill säga elektrondynamik i gaser och fasta objekt. Det vi först gör är att generera pulser, och sen i ett andra steg använda pulserna för att utlösa och filma elektronrörelser, säger László Veisz.

För att generera elektronrörelser joniserar forskarna atomer, en teknik som i sig är känd. Men på grund av att lasern i Umeå har en så pass hög toppeffekt, alltså att varje puls innehåller ett stort antal fotoner, kan de skapa mer elektronrörelse än andra forskningsgrupper.

– Alla andra grupper gör det här med låg fotonenergi, vilket betyder att de skapar relativt stabila joner genom att jonisera en valenselektron. Vi kan jonisera en inre elektron och på det sättet skapa en instabil jon vilket leder till mer elektronrörelser, säger László Veisz.

Genom att belysa ett mål med lasern kan forskarna alltså skapa väldigt korta pulser av röntgenljus. I ett andra steg riktar de röntgenpulsen mot ett ämne för att jonisera och sen fotografera vad som händer. László Veisz liknar det med att fånga en blixt på bild under ett åskoväder.  

– Det är jämförbart med att fotografera en blixt, man vet inte när man ska ta bilden. Med vårt system kan vi på sätt och vis utlösa blixten med en första puls och sen med en andra puls fotografera den. Om vi gör det här om och om men med olika fördröjningar mellan pulserna kan vi praktiskt taget filma processen, säger han.

Finns det andra användningsområden för lasern? 

– En andra tillämpning är en annan typ av fotografering genom att skapa elektronknippen. Bilderna via till exempel elektronmikroskopi skulle ha en subatomär rumslig och tidsmässig upplösning. Vi jobbar fortfarande med genereringen och optimeringen av dessa elektronknippen, säger László Veisz.

Elektronerna som teoretiskt sett kan skapas av lasersystemet skulle alltså göra det möjligt att studera fenomen på en längdskala som är kortare än atomers storlek. Ett annat potentiellt användningsområde är avbildning av stora molekyler – makromolekyler.

I nuläget kan forskningsgruppen dock bara skapa röntgenpulser med en storleksordning på runt 100 attosekunder – men de vill gå längre även där.

– Den kortaste pulsen är i dag 43 attosekunder. Vi hoppas kunna skapa en som är 100 gånger kortare. Våra simuleringar indikerar att det är ett realistiskt hopp. I dag kan vi rutinmässigt skapa pulser som är jämförbara med den kortaste, säger László Veisz.

Läs mer: De skapade universums kallaste material – med laser

Fakta: Chirped pulse amplification

För att skapa korta och kraftfulla laserpulser används en teknik som kallas Chirped pulse amplification (CPA). Tekniken går ut på att sträcka ut laserpulser i tiden för att först minska toppeffekten för att undvika skador under förstärkning och sen förstärka pulsen i laserförstärkare. När lasern sedan trycks ihop och blir kortare i tiden ökar intensiteten. För utvecklingen av CPA tilldelades Gérard Mourou och Donna Strickland halva Nobelpriset i fysik 2018. 

Donna Strickland blir tredje kvinnan att vinna Nobelpriset i fysik 

CPA används till exempel vid jätteprojektet ELI-NP i Rumänien som har lasrar som når toppeffekter om 10 petawatt (1 PW = 10^15 W). Men jämfört med lasern i Umeå är dessa pulser betydligt längre – hela 25 fs. Lasersystemet i Umeå använder en variant av CPA som kallas optical parametric chirped pulse amplification där skillnaden är att laserpulsen inte förstärks i laserförstärkare, utan av det som kallas optisk parametrisk förstärkare. Det tillåter forskarna i Umeå att skapa den korta puls som behövs vid experimenten.

Bill Burrau

Mer om: Laser Partiklar

Kommentarer

Välkommen att säga din mening på Ny Teknik.

Principen för våra regler är enkel: visa respekt för de personer vi skriver om och andra läsare som kommenterar artiklarna. Alla kommentarer modereras efter publiceringen av Ny Teknik eller av oss anlitad personal.

  Kommentarer

Debatt