Фемтосекундные лазеры и нанохирургия30.09.2015 17:37

Профессор Гарвардского университета Эрик Мазур об образовании плазмы внутри стекла, методе хранения информации с высокой плотностью и операциях на живой клетке

ПостНаука в партнерстве с Российской венчурной компанией и Serious Science публикует для вас на русском языке материалы ведущих западных ученых, рассказывающих о главных направлениях исследований мировой науки.

Одна из сфер, первые исследования в которой провела моя группа в Гарварде, была обработка прозрачных материалов фемтосекундными лазерами. Для начала я бы хотел кратко объяснить, что такое фемтосекундный импульс лазерного излучения. Это сверхкороткий лазерный импульс, который длится миллионные миллиардной доли секунды 10-15. Когда лазерные импульсы настолько коротки, их интенсивность становится настолько высокой, что взаимодействие между светом и материей полностью меняется (с точки зрения стандартных взаимодействий, к которым мы привыкли), и это делает возможными многие интересные явления.

Представьте себе блок прозрачного материала, например стекла. Обычно, если вы фокусируете свет на стекле, ничего не происходит, свет просто проходит через него. Это и есть определение прозрачности: прозрачные материалы не меняют ход света, свет просто проходит через них. В случае с фемтосекундными лазерами это не так.

Если взять фемтосекундный импульс лазерного излучения и сфокусировать его внутри блока прозрачного материала, интенсивность в точке фокусировки будет настолько высока, что атомы в буквальном смысле разорвутся на части и создадут искру — плазму — состояние вещества, где электроны и ионы отделены друг от друга.

В конце 90-х мы открыли, что фокусирование коротких лазерных импульсов на прозрачном материале, таком как стекло, создает искру внутри материала и приводит к микровзрыву, образованию очень маленькой пустоты, вакуума (под «очень маленьким» мы имеем в виду размеры меньше микрона, или менее, чем одна сотая диаметра человеческого волоса, или даже около сотни нанометров, то есть одна тысячная диаметра человеческого волоса) внутри стекла. Как я уже говорил, такое невозможно создать с помощью обычного света, потому что при фокусировке он проходит насквозь.

Мы применяли эту технику в разных областях. Одна из них — это хранение информации. В обычном CD-диске на поверхности есть набор углублений, которые считывает лазер. Так можно хранить один слой информации, а в некоторых DVD-дисках можно хранить пару слоев. Наша методика позволяет хранить сотни слоев, потому что их можно записать не только на поверхности, но и внутри стекла. Представьте себе, что вся ваша коллекция CD-дисков уместится на одной пластинке. Это хранение информации с высокой плотностью, и этот метод единственный в своем роде. Другое применение — в микрогидродинамике, это создание очень маленьких каналов, по которым жидкость может течь, внутри прозрачного материала, такого как полимер или стекло.

На протяжении долгого времени мы изучали физику описанного взаимодействия. Как сильно плазма внутри стекла нагревается? Что выталкивает атомы из фокального объема в окружающий материал? Какова длительность этих эффектов? Параллельно с этим мы исследовали разнообразные области применения этого, о некоторых из которых я уже упоминал. Одна из вещей, которую мы заметили с самого начала, — это то, что для создания этих маленьких пустот внутри твердого материала требуются лазерные импульсы с относительно высокой энергией. Что мы имеем в виду под относительно высокой энергией? Многих джоулях? Нет, когда мы говорим об очень коротких отрезках времени, даже то количество энергии, которое мы обычно считаем маленьким, создает очень высокую интенсивность, потому что интенсивность — это, по сути, энергия, разделенная на время, в течение которого она подается. Если мы возьмем один микроджоуль и, например, сто фемтосекунд, мы получим огромную мощность, сравнимую с мощностью, которая обеспечивает энергией город размером с Москву или Нью-Йорк. Конечно, она будет поставляться только несколько сотен фемтосекунд, но это невероятно высокая интенсивность для такого скромного количества энергии.

Сам процесс перехода от микросекунд к сотне фемтосекунд требует довольно много оборудования. Поэтому нам нужны были лазеры с усилением, и осцилляторы, и все возможные устройства, чтобы дать лазерному импульсу максимальное количество энергии и передать ее материалу.

Исследуя эту область уже несколько лет, мы поняли, что могли бы попробовать что-то новое и открыть применение фемтосекундным лазерам в полностью новой сфере. Когда мы генерируем фемтосекундный импульс, это не просто один импульс — мы получаем один импульс, повторяющийся с определенной частотой. Лазер сам по себе генерирует импульсы высокой частоты, но низкой энергии. Чтобы ее увеличить, мы берем несколько лазерных импульсов — возможно, один импульс на каждую тысячную секунды вместо каждой миллионной — и увеличиваем энергию этого импульса до высокой. Невозможно достичь одновременно высокой частоты и высокой энергии, так как для этого в буквальном смысле понадобилась бы пара атомных электростанций, чтобы сгенерировать необходимое количество энергии. Если вы хотите использовать нормальное сетевое напряжение, вы можете использовать только несколько импульсов каждую миллисекунду, каждую тысячную секунды.

Именно такие импульсы мы использовали вначале — с очень высокой интенсивностью, но разделенные широкими промежутками времени, миллисекундой, для записи в стекле. Но потом мы поняли, что если мы возьмем ряд импульсов, которые повторяются каждую миллионную долю секунды, даже несмотря на то, что их энергия будет значительно ниже, она будет накапливаться: один импульс достигает материала, и, пока его энергия еще не рассеялась из фокального объема, следующий импульс приходит, добавляя энергию, и так далее и так далее. То есть если взять импульсы с энергией ниже в миллион раз, например, но с очень короткими промежутками между ними, то можно накопить энергию. Мы также узнали, что, если взять простой лазер, осциллятор, генерирующий ряд импульсов в пределах 60–80 МГц, можно накопить достаточно энергии, чтобы расплавить материал в фокальной точке. Таким образом, вместо создания микровзрыва и пустоты мы фокусируем ряд лазерных импульсов с гораздо меньшим количеством энергии, но с высокой частотой повторения внутри стекла. Точка фокуса медленно нагревается, и стекло плавится до тех пор, пока мы не отключим лазер — тогда оно застывает. Плавится и снова застывает.

Но при плавлении со стеклом происходит нечто интересное: при застывании после плавления оно не полностью изменяет состояние вещества, не застывает в вещество с такой же плотностью и фазой, как раньше. Поэтому мы все равно можем записывать структуры, но не пустые, а с разными фазами вещества внутри стекла. И что тут действительно круто, так это то, что мы можем двигать фокус внутри стекла. Мы можем либо двигать фокус при помощи подвижных зеркал или же передвигая стекло через фокус, при всем этом плавить стекло и давать ему затвердеть. В каком-то смысле мы можем записать структуры любой трехмерной формы. И оказывается, что эти линии могут направлять свет — они действуют как волокно внутри стекла. То есть, по сути, у нас есть механизм, как направить свет из точки А в точку Б, и мы можем развить это в разные типы структур, такие как разделитель лучей, демультиплексор, для использования в телекоммуникациях, кольцевых резонаторах и так далее.

Как только мы открыли это, огромное количество групп присоединилось к этому направлению, и теперь, когда приходишь на конференцию, можно найти целые отдельные собрания, посвященные работе с фемтосекундными лазерами. Как я уже говорил, когда используется микрообработка с высокой частотой повторения, энергия импульса значительно уменьшается. На самом деле она переходит от микроджоуля в наноджоуль, а это практически ничто. Это значит, что можно изменять материалы с очень низкой энергией, не создавая повреждений вокруг, потому что практически никакой энергии не рассеивается из фокального объема, то есть можно изменять материалы с очень высокой степенью точности.

И еще одна область применения, которую показала моя группа, — это субклеточная хирургия. Можно провести микроманипуляции с органеллами внутри живой клетки или с мембраной, не убивая при этом клетку. Также можно использовать эту методику в нанонейрохирургии для разрывания соединений между отдельными нейронами в мелких животных. Одно из очень привлекательных применений — хранение информации. Если бы мы могли получить действительно высокую плотность хранения информации в чем-то настолько же устойчивом, как стекло, это было бы гораздо лучше любого существующего на данный момент способа хранения информации. Жесткие диски и флеш-память подводят, на данный момент нет такого способа хранения информации с такой же степенью безопасности сохранности, как на бумаге. Хотя бумага может сгореть и так далее, можно с уверенностью сказать, что, положив книгу в некоторое безопасное место, вы найдете ее там же через сто лет и найдете всю ту же самую информацию. Это не так в случае с магнитными дисками, флеш-картами и другими механизмами хранения информации.

Поэтому метод с обработкой фемтосекундными лазерами очень привлекателен. Однако на данный момент времени он непрактичен, так как за одну миллисекунду записывается один бит, и, если бы мы хотели записать всю информацию, которая влезает на пластинку размером с CD-диск, используя технологии нынешнего уровня, нам бы понадобилось целых 32 года. Поэтому, несмотря на то что эта идея очень интересна, технологии пока что не обеспечивают достаточную частоту импульсов, для того чтобы сделать ее практичной. Это существенный барьер, и на его преодоление уйдет много сил.

Эрик Мазур