Быстрее молнии

Фемтосекундные лазеры, как явствует из их названия, испускают световые импульсы длительностью примерно 10–15 секунд. Применение таких лазеров позволяет добиться поразительной точности воздействия на объекты, например, удалить отдельную митохондрию, не нанося вреда другим частям клетки, или обработать детали микроскопической структуры, впаянной в крошечный кусочек стекла. Эрик Мазур, преподаватель прикладной физики в Гарвардском университете, образно называет сверхкороткие импульсы лазера «световыми пулями».

Прежде фемтосекундные лазеры можно было увидеть лишь в дорогих лабораториях, но сейчас их начинают использовать в практической сфере, в частности в медицине и на производстве. Вскоре они, по всей видимости, произведут революцию в самых разных областях, от создания новых лекарств до уничтожения ядерного оружия.

Технические подробности. Насколько мал промежуток времени в 10–15 секунд? «Если расстояние от Земли до Луны свет преодолевает за секунду, то за одну фемтосекунду луч проходит около 300 нм, что во много раз меньше толщины человеческого волоса», — говорит Мазур. Появление фемтосекундных лазеров позволило создавать недостижимые ранее световые эффекты. Хотя передаваемая лучом энергия в этих устройствах мала, интенсивность ее воздействия может быть весьма значительной. «Пиковая мощность импульса наших лазеров сравнима с пиковой мощностью всех электростанций США вместе взятых, — утверждает Мазур. — Вся эта мощность сконцентрирована в микроскопическом объеме».

Действительно, краткость периода излучения не позволяет фемтосекундным

лазерам передавать значительную тепловую энергию. За время каждого импульса облучаемая поверхность переходит в состояние ионизированной плазмы, но вокруг этого пятна температура практически не меняется. Именно это и обеспечивает прецизионную точность воздействия лазеров данного типа, недоступную другим лазерам, а также режущим инструментам вроде алмазных пил. Эта особенность позволяет работать с очень тонкими структурами и хрупкими материалами, в частности, производить прецизионную разрезку. Если традиционные лазеры, применяемые стоматологами, создают небольшие трещины

и неровности по краям проделываемых отверстий, то фемтосекундные лазеры оставляют идеально ровные отверстия, не разрушая ткани за их пределами.

Кому это потребуется. При обработке самых разных материалов, будь то кремний, сталь или биологическая ткань, фемтосекундные лазеры позволяют фокусировать воздействие на произвольно малых областях поверхности — от нескольких миллиметров до нескольких микронов. Фактически за один раз можно срезать по одному атому вещества. Короткие лазерные импульсы способны также менять преломляющие свойства прозрачных материалов, а это открывает огромные возможности для создания недорогих оптических устройств, волноводов и сенсоров. Химические и фармацевтические компании применяют фемтосекундные лазеры для исследования мгновенных химических и биологических реакций, например взаимодействия окиси углерода с миоглобином (эта реакция играет важнейшую роль в механизме снабжения мышечных клеток кислородом). Мелисса Лав, представитель калифорнийской компании Del Mar Ventures, производящей лазеры, подчеркивает также, что сверхбыстрые лазеры позволяют значительно увеличить разрешение систем визуализации, используемых в медицине.

Короче говоря, внедрение этих лазеров, очевидно, окажет на множество отраслей эффект, измеряемый миллиардами долларов.

Кто этим занимается. Фемтосекундные лазеры изобрели в корпорации Bell Laboratories в 1980-е годы, и долгое время их развитие обусловливалось нуждами рынка волоконно-оптической связи. Еще недавно существовали лишь экспериментальные единичные образцы, изготовлявшиеся в лабораторных условиях. Сейчас появляется множество небольших компаний, освоивших производство компактных и недорогих ($15 000—30 000) настольных моделей. Крупные корпоративные заказчики постепенно осознают преимущества данной технологии, и предложение здесь будет быстро расти вместе со спросом.