Naar de content

Nobelprijs natuurkunde voor slimme lasertechnieken

Nobel Media

Het Nobelcomité splitst de prijs voor natuurkunde dit jaar in tweeën. De ene helft gaat naar de uitvinder van de optische pincet, de andere helft naar de uitvinders van Chirped Pulse Amplification, een ingenieuze methode om laserpulsen veel korter en intenser te maken.

2 oktober 2018

“Op dit gebied, optische technieken, zijn al veel Nobelprijzen gevallen”, constateert Kjeld Eikema. Waarmee deze onderzoeker aan het VU Laserlab niet wil zeggen dat de drie laureaten het niet verdienen, maar dat hij blij verrast is dat de prijzen dit jaar opnieuw in dit domein terechtkomen.

De winnaars van de Nobelprijs voor Natuurkunde 2018.

 Nobel Media

Optische pincet

De Amerikaan Arthur Ashkin (1922) publiceerde in 1987 zijn vinding van de optische pincet: een laserstraal die microscopisch kleine objecten kan vasthouden en verplaatsen zonder ze te beschadigen. Tijdens de bekendmaking in Stockholm werd het principe live gedemonstreerd met een pingpongballetje en een föhn: als je de föhn eerst verticaal omhoog richt en het balletje midden in de luchtstroom zet, blijft het balletje zelfs in die luchtstroom gevangen als je de föhn daarna scheef houdt.

Dat komt, omdat de lucht in het centrum van de bundel sneller stroomt dan aan de randen. Volgens het principe van Bernoulli ontstaat dan een tunnel van relatief lage druk waar het balletje in blijft hangen. Bij de laserstraal moet de lichtintensiteit in het centrum van de bundel hoger zijn dan aan de randen om hetzelfde effect te bereiken. Optische pincetten behoren inmiddels in menig lab tot de gereedschapskist voor fundamenteel biologisch onderzoek. Aan de Vrije Universiteit gebruikt bijvoorbeeld de onderzoeksgroep van Gijs Wuite ze om virusdeeltjes en eiwit- en DNA-moleculen te manipuleren.

Korter en intenser

Zonder de vinding van de twee andere laureaten, de Fransman Gérard Mourou (1944) en de Canadese Donna Strickland (1951), zou het onderzoek van Kjeld Eikema en zijn groep in het VU LaserLab onmogelijk zijn. Strickland kwam al tijdens haar promotie-onderzoek, begin jaren tachtig, op het idee van de zogeheten Chirped Pulse Amplification (CPA). Dit is een ingenieuze techniek om pulsen laserlicht veel korter durend en intenser te maken.

Fysici als Eikema willen in steeds kleiner detail – zowel in ruimte als tijd – het gedrag van atomen en moleculen zien. Een methode daarvoor is om ze te bestralen met laserlicht, en dan te kijken welke uitwerking dit heeft. Maar voor een atoom of molecuul is een milliseconde al een eeuwigheid. In zo’n tijdsbestek kan er van alles gebeurd zijn, waarbij de onderzoekers uit de terugkomende straling bijvoorbeeld alleen een zeer beknopte, vage samenvatting van het hele gebeuren kunnen afleiden.

Pas als je zeer intense flitsjes licht van een femto-seconde (10-15, een biljardste seconde) gebruikt, betrap je wat er in het atoom of molecuul op diezelfde tijdschaal gebeurt. Eikema: “Zo kun je het gedrag van elektronen diep in een atoom bestuderen, en dit vergelijken met theoretische voorspellingen.” Dit is vooralsnog puur fundamenteel onderzoek, maar uiteindelijk kan het van groot praktisch belang zijn om het gedrag van atomen en de chemische reacties tussen atomen en moleculen tot in de kleinste details te begrijpen, omdat we ze dan ook beter kunnen beheersen en manipuleren.

Drietrapsproces

CPA begint met een gepulste laserbundel, met pulsen van bijvoorbeeld 0,001 nanoseconde. Die stuur je door een kilometer lange glasfiber. Elke puls bestaat uit een mix van kleuren (golflengtes licht), en in glas is de voortplantingssnelheid van elke kleur net een beetje anders. Dus is de oorspronkelijke puls aan het eind van de glasfiber uitgesplitst tot een waaier van kleuren die, zeg, een nanoseconde duurt, waarbij onvermijdelijk de intensiteit een factor duizend is afgenomen (in wezen volgt dat uit de wet van energiebehoud).

Vervolgens kun je de intensiteit van die uitgerekte laserbundel met al bekende lasertechnieken versterken (wat uiteraard extra energie kost, die van buiten wordt toegevoegd). Tenslotte leid je deze versterkte laserpuls naar een zogeheten compressor. Die doet het omgekeerde van de glasfiber: die brengt alle kleuren weer bij elkaar zodat opnieuw een puls van 0,001 nanoseconde ontstaat, maar met een veel grotere intensiteit.

Het LaserLab van de Vrije Universiteit.

 LaserLaB Vrije Universiteit/Wim Ubachs

Betere bestralingsapparatuur

Deze drie-traps techniek is nodig, omdat er een grens zit aan hoeveel je een al intense lichtpuls nog verder kunt versterken. Eikema: “Bij zo’n grote lichtintensiteit zou het materiaal van de versterker kapot gaan.” De compressor, daarentegen, doet heel wat anders dan de versterker en kan daarom wel bestendig gemaakt worden tegen extreem intense laserpulsen.

Zo nodig kan de laserbundel ‘verdund’ worden over een groter oppervlak om te voorkomen dat de benodigde spiegels beschadigd raken. Eikema: “Er zijn compressors met spiegels van een vierkante meter.” Na zo’n compressor is het licht geconcentreerd in een hele korte puls, en als je die ook nog focusseert, kan je zo enorme intensiteiten bereiken.

Lasers die CPA gebruiken worden nu al toegepast om heel nauwkeurig materialen te snijden en graveren, en voor oogchirurgie. Ongetwijfeld zullen de komende tien, twintig jaar nieuwe toepassingen voor zulke extreme lasers worden gevonden. Mogelijk kunnen ze met een vrij klein apparaat enorme deeltjesversnellers als de Large Hadron Collider van Cern bij Genève vervangen, of betere bestralingsapparatuur voor kankerpatiënten opleveren.

Nobelprijzen 2018

Lees ook over de andere Nobelprijzen

ReactiesReageer