Hallo Sobat100,

Sobat100, setelah di umumkannya peraih Hadiah Nobel tahun 2018 di bidang Fisiologi atau Kedokteran yang diberikan kepada James P. Allison dan Tasuku Honjo. Sesuai dengan jadwal Pengumuman keputusan pemenang Nobel 2018, hari Selasa (2 Oktober 2018) adalah pengumuman peraih nobel tahun 2018 di bidang Fisika. Pasti sobat100 ingin tahu siapakah peraih nobel di bidang fisika tahun 2018? Berikut informasi lengkapnya untuk sobat100. . .

Peraih Nobel Dibidang Fisika 2018

Selasa 2 Oktober 2018, Royal Swedish Academy of Sciences telah memutuskan untuk memberikan Hadiah Nobel dibidang Fisika 2018 "Untuk penemuan inovatif di bidang fisika laser". Hadiah diberikan setengah bagian kepada Arthur Ashkin dengan pemenuannya yaitu “Pinset optik dan aplikasi untuk sistem biologi â€, kemudian setengah bagian yang lain diberikan kepada Gérard Mourou dan Donna Strickland (masing-masing memperoleh seperempat bagian) dengan penemuannya yaitu "Metode menghasilkan pulsa optik berintensitas tinggi yang sangat pendek".

(Arthur Ashkin)

(Gérard Mourou)

(Donna Strickland)

Penemuan fisika laser yang dikenalkan tahun ini telah merevolusi dunia laser yang sudah dikenal sebelumnya. Benda-benda yang sangat kecil dan proses yang sangat cepat sekarang terlihat dalam cahaya baru. Instrumen presisi yang sangat canggih membuka area penelitian yang belum dijelajahi dan banyak memberikan manfaat bagi dunia industri dan medis.

Latar Belakang

Makalah pertama yang menjelaskan prinsip untuk Maser Inframerah atau Optik untuk Tinjauan Fisik^[1] hampir tepat 60 tahun yang lalu (26 Agustus 1958) dan ditulis oleh Arthur L. Schawlow dan Charles H. Townes, di Bell Telephone Laboratorium di New Jersey. Ini merupakan perpanjangan dari teknik maser ke daerah inframerah dan optik. Makalah ini diberikan cetak biru untuk bagaimana membangun maser optik, dan Theodor H. Maiman^[2] yang pada tahun 1960 adalah yang pertama menunjukkan emisi optik terstimulasi koheren. Maser optik menjadi dikenal khalayak yang lebih luas dalam ilmu populer ketika Schawlow menerbitkan sebuah artikel di Scientific American pada tahun 1961.^[3]

Nama "maser optik" awalnya digunakan dalam literatur teknis, dan dalam artikel ilmu pengetahuan populer Schawlow.^[3] Namun, "maser optik" telah digantikan oleh "laser" (Penguatan cahaya dari rangsangan Emisi Radiasi) ketika Royal Swedish Academy of Sciences memberikan penghargaan Hadiah Nobel 1964 dibidang Fisika kepada Townes, Nicolay G. Basov dan Aleksandr M. Prokhorov " untuk pekerjaan mendasar di bidang elektronika kuantum, yang telah mengarah pada pembangunan osilator dan amplifier berdasarkan prinsip laser maser â€.

Bidang fisika laser dan aplikasinya berkembang pesat setelah penemuan pertama. Sinar laser memiliki sifat unik seperti koherensi, satu arah, satu frekuensi dan intensitas, yang sifatnya sangat berguna baik dalam sains maupun dalam kehidupan sehari-hari. Jelas, pada tahun-tahun awal laser, diharapkan bisa dihasilkan perangkat yang akan menghasilkan gelombang cahaya dengan kemurnian yang sama seperti gelombang radio. Laser pertama dioperasikan dalam semburan pendek, tetapi ada kebutuhan untuk operasi terus-menerus. Perkembangan laser gelombang terus-menerus, frekuensi-tajam adalah prasyarat untuk spektroskopi laser resolusi tinggi, yang telah menghasilkan beberapa Hadiah Nobel dalam Fisika.

Perkembangan penting lainnya dalam fisika laser adalah produksi getaran cahaya pendek, terutama berkat penemuan laser Q-switching ^[4] dan penguncian mode,^[5-9] yang memungkinkan untuk menghasilkan latihan berulang yang intens, getaran laser pendek. Bersama dengan pengembangan laser pewarna,^[10][11] ini memicu arah baru menuju getaran optik yang lebih pendek dan lebih pendek.^[12-17] Akses ke getaran optik pendek, dengan durasi yang sesuai dengan skala waktu untuk gerakan atom dalam molekul, mengarah ke bidang penelitian baru dalam kimia, dan kemungkinan untuk mempelajari, secara waktu sebenarnya, keadaan transisi dalam reaksi kimia. Terobosan ini diakui oleh Hadiah Nobel Kimia pada tahun 1999 kepada Ahmed Zewail.

Hadiah Nobel Fisika tahun ini mengakui dua penemuan dalam fisika laser yang telah membuka garis pembatas baru dan menghasilkan aplikasi penting yang bermanfaat bagi masyarakat umum. Salah satunya menggunakan laser monokromatik yang terus menerus, sedangkan yang lainnya menyangkut laser yang bergetar. Setengah hadiah Arthur Ashkin untuk penemuannya tentang pinset optik dan aplikasi mereka ke sistem biologis. Setengah hadiah lainnya gabungan Gérard Mourou dan Donna Strickland untuk metode mereka menghasilkan pulsa optik ultra-pendek intensitas tinggi.

Sejarah Singkat Pinset Optik

Pinset optik adalah metode berbasis laser untuk menjebak dan memanipulasi partikel, yang memanfaatkan kemampuan cahaya untuk mengerahkan kekuatan, atau tekanan radiasi. Gagasan bahwa cahaya bisa memberikan tekanan dikemukakan pada 1619 oleh Johannes Kepler, yang mendalilkan bahwa tekanan cahaya menjelaskan mengapa ekor komet selalu menunjuk jauh dari Matahari. Pada tahun 1873, James Clerk Maxwell menunjukkan secara teoritis bahwa cahaya dapat memberikan tekanan, berdasarkan teorinya tentang elektromagnetisme. Keberadaan tekanan radiasi khirnya pemeriksaan secara luar biasa pada awal 1900-an, oleh Pyotr Lebedev, Ernest F. Nichols dan Gordon F. Hull. Waktu yang dibutuhkan sebelum verifikasi adalah pengingat betapa luar biasa lemahnya tekanan radiasi tersebut dalam keadaan sehari-hari. Dengan munculnya laser pada 1960-an, menjadi mungkin untuk mempelajari tekanan radiasi menggunakan sinar cahaya yang sangat kuat. Seorang pelopor dalam bidang ini adalah Arthur Ashkin, yang usahanya mengarah pada penemuan pinset optik.

Sebuah kejadian adalah demonstrasi Ashkin pada tahun 1970 bahwa kekuatan optik, yang dihasilkan oleh sinar laser yang terfokus ke dalam sinar yang sempit, dapat menggantikan partikel dielektrik kecil di udara dan air.^[18] Partikel-partikel dipercepat dalam penyebaran arah sinar cahaya, sebagaimana dimaksudkan, oleh gaya hamburan ke depan. Selain itu, partikel yang memiliki pembiasan refraksi lebih tinggi dari lingkungan sekitarnya ditarik ke pusat balok Gaussian oleh gaya transversal ke arah gradien intensitas, yang disebut gaya gradien. Akhirnya, setelah melakukan pengamatan ini, Ashkin melanjutkan untuk menunjukkan bahwa trapping particle tiga dimensi dapat dicapai dengan menggunakan penyebarluasan dua sinar laser.^[18] Pengamatan ini kemudian dikembangkan lebih lanjut oleh konstruksi yang dibuat Ashkin pada perangkap sinar tunggal pertama tiga dimensi, perangkap levitasi optik di udara.^[19]

Pada tahun 1986, Ashkin dan rekan kerja adalah yang pertama untuk menerapkan perangkap sinar tunggal semua optik.^[20] Awalnya disebut perangkap optik gaya gradien sinar tunggal, segera dikenal sebagai pinset optik. Metode ini menjebak partikel dengan mengirimkan sinar laser melalui lensa objektif; ini menciptakan komponen dari gaya gradien yang berlawanan dengan arah penyebaran dari balok (lihat Gambar 1). Agar perangkap terjadi, komponen gaya ini harus cukup kuat untuk menyeimbangkan gaya hamburan ke depan, yang membutuhkan penggunaan angka bukaan yang tinggi, atau sudut besar konvergensi dalam sinar, yang disediakan dalam praktek oleh lensa objektif mikroskop. Itu menunjukkan bahwa metode ini dapat menjebak partikel dielektrik dalam air, mulai dalam ukuran dari beberapa puluh nanometer hingga puluhan mikrometer.^[20]

 

Gambar 1: Kualitatif ray optik dari kekuatan pemulih yang pulih dalam perangkap pinset optik, untuk bola dielektrik yang terletak di bawah fokus f dan diasumsikan besar dibandingkan dengan panjang gelombang cahaya. Sinar cahaya membawa momentum dan dibengkokkan oleh pembiasan saat melewati bola dielektrik. Dengan konservasi momentum dan hukum kedua Newton, perubahan momentum dari sinar bias menghasilkan gaya yang diarahkan secara berlawanan pada bola. Sepasang sinar yang khas, a dan b, menghasilkan gaya total F pada bola, yang diarahkan ke fokus f. Apa yang disebut Rejim Rayleigh, di mana partikel agak kecil dibandingkan dengan panjang gelombang, gaya optik dapat dihitung dengan memperlakukan partikel sebagai titik akhir. Gaya yang diperoleh dapat didekomposisi menjadi dua kekuatan: gaya hamburan, yang dalam arah propagasi dari balok dan sebanding dengan intensitas, dan gaya gradien, yang sebanding dengan intensitas gradien dan diarahkan ke intensitas yang lebih tinggi.^[21]

Skema pinset optik pada awalnya disarankan untuk perangkap atom.^[22] Segera setelah pelaksanaan pertama untuk partikel dielektrik,^[20] itu juga digunakan dalam percobaan pendinginan dan perangkap atom.^[23] Namun, Ashkin segera menyadari dan mulai menyelidiki kemungkinan penerapannya pada sistem biologis. Dalam penelitian inovatif , ia menunjukkan bahwa pinset optik dapat menjebak dan memanipulasi virus dan sel hidup, beralih dari hijau ke laser inframerah untuk mengurangi kerusakan dari sinar optik yang intens.^[24][25] Aplikasi lebih lanjut termasuk memanipulasi komponen subseluler sel tumbuhan,^[26] dan memperkirakan kekuatan yang menggerakkan transportasi organel sepanjang mikrotubulus (bagian dari sitoskeleton) pada sel amuba.^[27]

Uji percobaan Ashkin tentang virus dan sel hidup segera diikuti oleh aplikasi baru dari metode pinset optik ke sistem biologis oleh ilmuwan lain. Sebuah uji coba awal oleh Steven M. Block, David F. Blair dan Howard C. Berg menyelidiki mekanisme bakteri flagela,^[28] yang terdiri dari filamen heliks yang terhubung ke putaran mesin yang berfungsi untuk mendorong bakteri. Dengan memutar bakterium sekitar flagellum yang ditambatkan, dan kalibrasi kekuatan optik terhadap drag kental, mereka bisa mengukur kepatuhan torsional dari flagel.

Aplikasi Tingkat Molekuler

Pinset optik sekarang alat yang banyak digunakan dalam fisika biologi dan bidang terkait, dan terus mencari aplikasi baru. Metode ini digunakan untuk menjebak dan memanipulasi objek non-invasif seperti sel tunggal dan organel dan untuk melakukan pengukuran gaya dan gerakan molekul tunggal. Penelitian tentang molekul tunggal dimungkinkan dengan menghubungkan mereka ke "pegangan" yang dapat dengan mudah terjebak oleh pinset, seperti polistiren berukuran mikron atau manik-manik silika. Manik-manik juga bertindak sebagai penyelidik untuk memantau gerakan dan gaya.

Alat pinset optik dasar untuk menjebak objek berukuran mikron adalah alat yang relatif sederhana. Namun, pemantauan akurat dari gerakan benda yang terperangkap, dalam larutan berair pada suhu kamar, adalah tantangan yang membutuhkan alat canggih,^[29] yang mungkin melibatkan penggunaan perangkap ganda, misalnya, ujung masing-masing protein atau DNA molekul. Kemajuan di bidang ini telah membawa percobaan perangkap optik molekul tunggal ke tingkat di mana langkah pasangan basa tunggal sepanjang DNA dapat dideteksi,^[30] sesuai dengan mengenai ruang pada tingkat Ångström.

Subyek awal untuk penelitian molekul tunggal dengan perangkap optik adalah sifat fisik DNA, seperti relaksasi, elastisitas dan terjadinya transisi gaya paksa tajam ke bentuk DNA yang diperpanjang.^[31-33] Pekerjaan terkait dilakukan menggunakan pinset magnetik ^[34] dan kaca mikro-jarum.^[35] Penelitian lain berbasis pinset optik menunjukkan pembedahan reversibel molekul RNA kecil di bawah kekuatan mekanik.^[36] Kurva ekstensi paksaan untuk molekul RNA kemudian digunakan untuk uji eksperimental pertama ^[37] kesetaraan Jarzynski dalam termodinamika stokastik, yang menghubungkan distribusi kerja tak ada ketiganya ke keseimbangan perbedaan energi bebas.^[38]

Suatu tempat di mana pinset optik telah terbukti sangat berharga adalah kinetika dan mekanika mesin molekuler. Mesin-mesin ini mengubah energi kimia menjadi gerakan linier atau berputar. Satu kelompok motor molekul terdiri dari mesin protein linier yang memainkan peran penting dalam transportasi intraseluler, penyusutan otot dan pembelahan sel, misalnya. Parameter dasar mesin linear meliputi ukuran langkahnya, waktu tinggal dan gaya yang dihasilkan, yang tidak dapat diakses langsung dengan metode ensemble. Dengan pinset optik, telah dimungkinkan untuk menentukan lintasan mesin protein linear tunggal dengan resolusi yang cukup untuk menyelesaikan gerakan bertahap mereka, dan dengan demikian memperoleh informasi tentang ukuran langkah dan waktu tinggal, termasuk peran fluktuasi. Sebuah terobosan adalah pengamatan langsung pertama dari gerakan loncatan kinesin, yang mengangkut muatan seluler sepanjang mikrotubulus (lihat Gambar 2). Ukuran langkah 8 nm diamati, yang sesuai dengan panjang unit berulang sepanjang mikrotubulus, dan gaya maksimum yang dihasilkan oleh molekul kinesin (sekitar 5 pN = 5 x 10^-12 N) dapat diukur.^[39]

Gambar 2: (Kiri) Sketsa sistem kinesin-mikrotubulus yang dipelajari dengan pinset optik sebagai referensi.^[39] Sebuah manik yang terperangkap secara optik membawa molekul kinesin tunggal yang berjalan di sepanjang filamen mikrotubulus imobilisasi. (Kanan) Perpindahan versus grafik waktu untuk manik-manik, yang menunjukkan bahwa molekul kinesin berjalan, menarik manik ke depan secara bertahap.^[39]

Pekerjaan terkait menganalisis interaksi molekul myosin tunggal dengan filamen aktin.^[40][41] Interaksi myosin-aktin menghasilkan pergeseran relatif myosin dan filamen aktin untuk penyusutan otot.

Sejak memulai penelitian ini, kemajuan besar telah dicapai dalam ketepatan percobaan perangkap optik, yang telah memungkinkan penelitian tentang semakin banyak mesin molekuler. Sebuah landmark adalah resolusi langkah-langkah satu pasangan di sepanjang DNA oleh polimerase RNA motor, yang menyalin DNA ke mRNA dalam proses turunan.^[30] Ini sesuai dengan ukuran langkah 3,4 Å, atau sekitar 20 kali lebih pendek daripada ukuran kinesin yang disebutkan di atas. Proses penerjemahan, di mana mesin ribosom mensintesis protein berdasarkan transkrip mRNA, juga telah dipelajari oleh percobaan pinset optik, di mana terjemahan kodon oleh kodon dari molekul mRNA tunggal oleh ribosom tunggal dapat diikuti.^[42] Percobaan berbasis pinset optik juga telah memberikan wawasan tentang bagaimana protease menggunakan kekuatan mekanik untuk membuka substrat protein selama degradasi protein yang ditargetkan.^[43][44] Contoh-contoh ini menggambarkan penggunaan teknik perangkap optik untuk mendapatkan wawasan khusus ke dalam mekanisme proses biomolekuler mendasar.

Generasi Kekuatan Tinggi, Gertaran Optik Sangat Pendek

Seperti yang dijelaskan dalam pendahuluan, perkembangan getaran optik berdurasi pendek tidak diikuti oleh peningkatan besar dalam kekuatan puncak atau energi per getaran. Meskipun getaran menjadi lebih pendek, terutama karena beberapa perkembangan inovatif dari laser terkunci mode,^[13-17] jumlah foton di setiap getaran hanya meningkat sedikit antara 1970 dan 1985 (lihat Gambar 3). Getaran Nanojoule dari osilator yang terkunci mode dapat diperkuat ke tingkat millijoule, peningkatan 6 kali lipat dari besarnya. Pengerasan yang lebih besar terhalang oleh kerusakan pada material amplifier dan komponen optik dari laser.

Menghindari masalah ini membutuhkan peningkatan diameter balok, sehingga menurunkan intensitas yang dialami oleh media penguat dan mencegah kerusakan. Hal ini menghasilkan instalasi laser besar dan mahal yang hanya dapat direalisasikan oleh lembaga penelitian nasional. Selain itu, laser besar ini beroperasi pada tingkat pengulangan yang rendah, sesedikit beberapa bidikan per hari, untuk memberi amplifier waktu yang cukup untuk mendinginkan antar jepretan.

Gambar 3. Sejarah teknologi getaran laser dalam hal intensitas puncak. Setelah peningkatan intensitas awal selama tahun 1960-an, seperti yang dijelaskan dalam teks, hanya peningkatan tambahan yang terjadi selama lebih dari satu dekade. Penemuan teknik CPA untuk pulsa optik oleh Strickland dan Mourou pada tahun 1985 ^[45] secara dramatis mengubah keadaan. Nilai pada sumbu y adalah indikatif karena intensitasnya tergantung pada seberapa tajam sinar laser difokuskan.

 

Teknik CPA berlangsung dalam tiga langkah: 1) denyut laser sangat pendek direntangkan dalam waktu oleh beberapa orde besar, sehingga kekuatan puncaknya juga berkurang, 2) diperkuat dalam bahan laser tanpa merusaknya, 3) itu dikompresi pada waktunya kembali ke durasi aslinya, menghasilkan kekuatan puncak yang sangat tinggi. Dalam implementasi asli Strickland dan Mourou,^[45]

Terobosan ini terjadi pada tahun 1985, ketika Donna Strickland dan Gérard Mourou menemukan teknik Chirped Pulse Amplification (CPA) untuk getaran optik.^[45] Inspirasi datang dari teknologi radar, sama seperti Townes telah diuntungkan dari pengalamannya dalam sistem radar ketika menemukan maser, serta dalam penelitian yang berkaitan dengan komunikasi optik.^[46][47]

Pada langkah pertama, getaran nanojoule pendek, rendah energi, dari laser Nd: YAG yang dikunci digabungkan ke dalam serat optik single-mode dan direntangkan ke durasi sekitar 300 ps. Denyut nadi secara linear (lihat Gambar 4) di serat oleh dispersi kecepatan kelompok dan modulasi fase diri (efek optik nonlinier menginduksi indeks refraktif yang bervariasi).^[48] Dalam penyebaran serat positif, sehingga bagian frekuensi rendah (merah) dari getaran menyebar lebih cepat daripada bagian frekuensi tinggi (biru). Pada langkah kedua (lihat Gambar 5), Strickland dan Mourou kemudian memperkuat getaran chirped dalam Nd: penguat regeneratif kaca. Pada langkah terakhir, getaran panjang chirped dikompresi oleh kompresor ganda ^[49] hingga 2 ps (= 2 x 10^-12 s); energi dari getaran yang diperkuat adalah 1 mJ (= 10^-3 J).

Konsep CPA dan kemajuan lebih jauh di luar demonstrasi asli dipresentasikan pada Konferensi tentang Laser dan Electro-Optics di San Francisco, 9-13 Juni 1986 ^[50] dan pada Pertemuan OSA Kelima, Snowmass, Colorado, 16-19 Juni , 1986.^[51] Tak lama setelah kertas terobosan,^[45] laser berbasis CPA dengan kekuatan puncak melebihi 1 TW dibangun.^[5053]

Gambar 4. CPA, dengan medan listrik diplot terhadap waktu. getaran Chirp adalah ketergantungan waktu dari frekuensi sesaatnya. Denyut nadanya naik, artinya frekuensi bertambah seiring waktu.

Perbaikan pertama dari teknik CPA terjadi setelah uji terobosan, ketika serat yang digunakan untuk meregangkan getaran digantikan oleh sepasang kisi difraksi. ^[54-56] Amplifikasi pulsa dari tingkat nanojoule ke joule ditunjukkan,^[53] yaitu 9 kali lipat dari peningkatan energi per getaran. Konfigurasi CPA standar ditunjukkan pada Gambar 5. Penemuan teknik CPA memungkinkan lompatan besar dalam intensitas getaran optik; lihat Gambar 3.

Gambar 5. Konfigurasi CPA dasar. Chirp diilustrasikan dengan warna. Awalnya medium gain (amplifier) adalah Nd: kaca, sedangkan hari ini, medium gain umum lainnya adalah Ti: sapphire. (Direproduksi dari Pusat Ilmu Optik Ultrafast, Universitas Michigan di Ann Arbor.)

 

Beberapa bidang baru penelitian dan aplikasi praktis mengikuti penemuan CPA. Teknologi CPA dan keturunan yang penting, seperti CPA Parametrik Optik,^[57] digunakan dalam dorongan untuk intensitas yang lebih tinggi (lihat Gambar 3). Segera setelah penemuan CPA [45], akronim T3 muncul, untuk menggambarkan laser terawatt. Parameter yang umum untuk Nd pertama: sistem gelas adalah 1 J / getaran dan durasi pulsa sekitar 1 ps (= 10^-12 s). Getaran yang lebih pendek, di bawah 100 fs (= 10^-13 s), diperoleh menggunakan Ti: sapphire.^[58] Segera visi sistem laser petawatt muncul,^[52] yang mengambil satu dekade untuk direalisasikan di Lawrence Livermore National Laboratory pada tahun 1999.^[59]

Gambar 3 (menampilkan intensitas terfokus) menunjukkan bahwa daya atau intensitas puncak terus bertambah seiring bertambahnya tahun. Perkembangan ini juga diilustrasikan oleh 2 publikasi yang terpisah dalam 2 dekade terakhir.^[60][61]

Satu PetaWatt (= 10¹⁵ W) tidak lagi merupakan batas atas. Banyak proyek sekarang bertujuan untuk kekuatan dan intensitas yang lebih tinggi dan berada dalam berbagai tahap pengembangan. Sebagai contoh, fasilitas Beamlines Extreme Light Infrastructure (ELI) di Praha, Republik Ceko, akan mencakup sistem laser 10-PW. Tingkat intensitas terfokus melebihi 1023 W / cm² diantisipasi, membuka bidang penelitian baru. Bidang tinggi fisika dapat membuka jendela ke keadaan ekstrim baru materi seperti yang didominasi radiasi, yang kuantum tekanan tinggi, Warm Dense Matter (WDM) dan plasma ultra-relativistik. High-energy-density physics (HEDP) adalah sangat penting untuk penelitian di bidang laboratorium astrofisika.

Aspek kedua yang sama pentingnya dengan perbatasan fisika intensitas tinggi adalah bahwa teknologi CPA menyebabkan sistem laser dengan kekuatan puncak tinggi karena durasi getaranpendek, tetapi energi pulsa sederhana, sehingga memungkinkan tingkat pengulangan yang tinggi. Laser tabletop yang terjangkau (T3) yang sesuai dengan anggaran kelompok universitas dapat menghasilkan getaran dengan laju 10 Hz dengan kekuatan puncak sama dengan beberapa tembakan per hari yang dikirim oleh laser yang sangat besar dan mahal yang digunakan dalam percobaan kurungan inersia untuk fusi nuklir. Sistem meja ini membuka area penelitian baru seperti bidang tinggi fisika, ilmu attosecond, dan akselerasi laser-plasma, yang dijelaskan di bawah ini.

Aplikasi

Aspek ketiga dan sangat praktis dari teknologi CPA adalah fakta bahwa menjadi mungkin untuk membangun sistem laser sangat pendek yang ringkas dan mudah digunakan, cocok untuk aplikasi industri dan medis, selain penelitian fisika dasar. Teknologi CPA membuka berbagai bidang penelitian karena ketersediaan tenaga laser sangat pendek yang sangat cepat dengan tingkat pengulangan yang tinggi.

Fisika Medan Kuat dan Sains pada level attosekon (10^-18 s)

Atom dan molekul yang terkena cahaya intensitas rendah tidak mengubah sifat mereka sebagai konsekuensi dari interaksi. Jika cahaya disetel menjadi resonansi dengan transisi, eksitasi dapat terjadi, dan jika energi foton cukup tinggi, elektron dapat dibebaskan dalam proses ionisasi. Rezim yang menarik terjadi ketika kekuatan medan cahaya menjadi sebanding dengan yang diperlukan untuk mengikat elektron dalam atom atau molekul. Ini disebut rejim fisika medan kuat.^[62-70]

Beberapa kejadian fisik yang menarik mengikuti proses ionisasi di medan laser yang kuat. Atom dapat terionisasi dengan menyerap lebih banyak foton daripada yang diperlukan, yang mengarah ke pelepasan elektron dengan energi kinetik yang sangat tinggi, proses yang disebut ionisasi di atas-ambang (ATI).^[69][70] High Harmonic Generation (HHG)  dari sinar laser ^[66][67] pada awalnya ditemukan tanpa teknologi CPA, tetapi eksplorasi luas fisika medan kuat yang diikuti adalah konsekuensi langsung dari CPA. Uji rinci eksperimental HHG menggunakan laser femtosecond CPA menyebabkan elaborasi interpretasi semi-klasik intuitif fisika di bidang laser yang kuat,^[70-72] disajikan pada Gambar 6.

Gambar 6. Ilustrasi model rekoleksi tiga langkah dari HHG. Pada langkah pertama, medan laser menyebabkan ionisasi tunneling; pada langkah kedua, medan laser pertama mempercepat elektron. Ketika medan berbalik dalam setengah siklus berikutnya, elektron bebas dapat kembali ke ion dan bergabung kembali. Pada langkah ketiga ini, foton ultraviolet ekstrim dipancarkan. (Dirproduksi dari J.P. Marangos dan M. Oppermann, generasi Attosecond dan fisika lapangan tinggi, dalam Ultrafast Non-Linear Optics (Scottish Graduate Series).

Namun bagus, teknologi laser femtosecond yang dikembangkan selama 1960-an, 1970-an dan 1980-an tidak mampu menembus batas. Tak lama setelah realisasi eksperimental pertama harmonik tinggi, disarankan bahwa, dalam analogi dengan mode penguncian, harmonik orde tinggi dapat menyebabkan getaran lebih pendek dari 1 fs (= 10¹⁵ s).^[73] Satu dekade kemudian, setelah membangun banyak perbaikan dan wawasan ke dalam HHG dengan menggunakan laser berbasis CPA, pulsa attosecond pertama secara eksperimen diamati.^[74][75] Ini adalah kelahiran bidang penelitian baru - ilmu attosecond. Untuk pertama kalinya, dinamika elektron di dalam atom, molekul dan materi dalam fase terkondensasi dapat diperiksa.^[76]

Akselerasi Laser plasma

Teknologi akselerator masih sepenuhnya didominasi oleh akselerasi frekuensi radio (RF) yang beroperasi dalam rentang frekuensi dari 100 MHz (= 10⁸ Hz) hingga beberapa GHz (= 10⁹ Hz). Teknologi ini matang, kuat dan melayani kebutuhan operasi untuk banyak akselerator. Namun, itu memiliki beberapa kelemahan. Jika tujuannya adalah pembangunan akselerator di frontier energi tinggi, gradien percepatan terbatas membutuhkan akselerator menjadi sangat besar dan karenanya sangat mahal. Ketika partikel berenergi tinggi (paling sering proton) diperlukan untuk terapi radiasi tumor, misalnya, akselerator RF yang berat dan besar sulit untuk masuk ke dalam lingkungan rumah sakit.

Peneliti menyarankan pada tahun 1979 bahwa laser yang intens dapat menghasilkan gelombang plasma (wakefield) yang dapat mempercepat elektron ke 1 GeV (= 10⁹ eV) dengan jarak 1 cm.^[77] Kunci untuk gradien percepatan yang sangat tinggi ini adalah memiliki laser daya tinggi. Gambar 7 mengilustrasikan prinsip untuk akselerasi laser-plasma.

Gambar 7. Ilustrasi skematik akselerasi laser-plasma. Pulsa laser intens mendorong gelombang plasma (bangun) dalam saluran plasma, yang juga memandu denyut laser dan mencegah difraksi. Plasma elektron latar belakang disuntik dengan fase yang tepat dapat dipercepat dan terfokus oleh bangun. (Direproduksi dari W.P. Leemans (2010), Buku Putih Satuan Tugas Bersama ICFA-ICUIL - Teknologi Laser Daya Tinggi untuk Akselerator.

 

Di Lawrence Berkeley National Laboratory di California, laser petawatt di fasilitas Lab Laser Accelerator (BELLA) Berkeley digunakan untuk mempercepat elektron hingga 4,2 GeV (= 4,2 x 10⁹ eV) dengan jarak 9 cm [78]. Ini adalah gradien percepatan setidaknya dua kali lipat lebih tinggi dari apa yang dapat diperoleh dengan teknologi RF. Bahwa ada banyak tantangan yang tersisa sebelum akselerator laser dapat digunakan untuk aplikasi medis dipahami.^[79]

Intensitas Laser Tinggi Dalam Industri dan Obat-obatan.

Intensitas tinggi, laser sangat pendek getaran sangat kuat ketika presisi tinggi diperlukan karena pengendapan energi termal minimal dalam bahan, sehingga kerusakan  diabaikan di luar volume interaksi yang diinginkan. Teknologi CPA telah memungkinkan untuk membangun sistem laser yang ringkas dan user-friendly yang cocok untuk aplikasi industri dan medis. Tingkat intensitas dapat disesuaikan agar optimal untuk aplikasi yang berbeda: misalnya, tingkat yang lebih rendah untuk perlakuan panas dan lebih tinggi untuk pembuangan material. Lubang dengan rasio aspek-tinggi yang diperlukan untuk stent dapat dilubangi dengan laser femtosekon.

Dalam beberapa tahun terakhir, laser femtosekon telah tersedia untuk penggunaan klinis dalam prosedur bedah refraktif untuk mengobati miopia dan astigmatisme di seluruh dunia. Dalam LASIK (laser dibantu keratomileusis ; lihat Gambar 8), laser femtosekon menawarkan presisi tinggi untuk membuat flap kornea, yang diperlukan untuk laser excimer untuk memiliki akses dan membentuk kembali stroma kornea. Dengan diperkenalkannya prosedur laser femtosekon,^[80] yang tidak memerlukan pembuatan flap, sayatan yang sangat kecil sekitar 4 mm atau kurang dibuat untuk menghilangkan pelvis refraksi foto. Menghapus lentikula mengubah bentuk kornea, sehingga koreksi bias yang diinginkan diperoleh. Energi getaran femtosecond Khas adalah 120 nJ (= 1,2 x 10^-7 J) .^[81]

 

Gambar 8. Ilustrasi skematik prosedur bedah laser bias all-in-one femtosekon. Garis putus-putus berwarna ungu menunjukkan balok-balok dari laser femtosekon CPA yang beroperasi pada energi pulsa yang cukup rendah sebesar 120 nJ / pulsa, tetapi pada tingkat pengulangan yang tinggi lebih dari 100 kHz. Sinar laser terus bergerak dalam lingkaran dengan jari-jari menurun, seperti spiral bergerak ke dalam. Laser femtosecond menciptakan sedikit jaringan berbentuk lensa untuk diangkat, lentikula, di dalam kornea. Laser juga digunakan untuk membuat sayatan kecil di kornea melalui mana lenticule secara mekanis dihilangkan. Laser difokuskan ke beberapa mikrometer, sehingga proses ablasi laser yang menciptakan lentikul dapat diposisikan dengan presisi tinggi. Lenticule biasanya berdiameter 6 mm dan ketebalan 100 m di tengah. Dengan melepas lentikula, panjang fokus memanjang, sehingga fokus dipindahkan ke retina dan miopia dikoreksi.

Catatan Penutup Untuk Menghasilkan Getaran Optik Sangat Pendek Berintensitas Tinggi

Penemuan oleh Mourou dan Strickland dari teknik CPA telah membuka banyak jalan bagi para peneliti baik dalam sains dasar dan terapan, yang menghasilkan aplikasi yang bermanfaat. Memperluas batas-batas CPA adalah upaya berkelanjutan.

 

 

 

DAFTAR PUSTAKA :

[1] A.L. Schawlow and C.H. Townes. 1958.  Infrared and optical masers, Phys. Rev. 112, 1940
[2] T.H. Maiman. 1960. Stimulated optical radiation in ruby, Nature 187, 493
[3] A.L. Schawlow. 1961. Optical masers Scientific American 204 (6), 52
[4] F.J. McClung and R.W. Hellwarth. 1962. Giant optical pulsations from ruby, J. Appl. Phys. 33, 828
[5] L.E. Hargrove, R.L. Fork and M.A. Pollack. 1964. Locking of HeNe laser modes induced by synchronous intracavity modulation, Appl. Phys. Lett. 5, 4
[6] M. DiDomenico Jr. 1964. Small-signal analysis of internal (coupling-type) modulation of lasers, J. Appl. Phys. 35, 2870
[7] A. Yariv. 1965. Internal modulation in multimode laser oscillators, J. Appl. Phys. 36, 388
[8] H.W. Mocker and R.J. Collins. 1965. Mode competition and self-locking effects in a Q-switched ruby laser, Appl. Phys. Lett. 7, 270
[9] A.J. DeMaria, D.A. Stetser and H. Heynau.1966. Self mode-locking of lasers with saturable absorbers, Appl. Phys. Lett. 8, 174
[10] P.P. Sorokin and J.R. Lankard. 1966. Stimulated emission observed from an organic dye, chloro-aluminum phthalocyanine, IBM J. Res. Dev. 10, 162
[12] F.P. Schäfer, W. Schmidt and J. Volze. 1966. Organic dye solution laser, Appl. Phys. Lett. 9, 306
[13] E.P. Ippen, C.V. Shank and A. Dienes. 1972. Passive mode locking of the the cw dye laser, Appl. Phys. Lett. 21, 348
[14] C.V. Shank and E.P. Ippen. 1974. Subpicosecond kilowatt pulses from a mode-locked cw dye laser, Appl. Phys. Lett. 24, 373
[15] I.S. Ruddock and D.J. Bradley. 1976. Bandwidth-limited subpicosecond pulse generation in mode-locked cw dye lasers, Appl. Phys. Lett. 29, 296
[16] R.L. Fork, B.I. Greene and C.V. Shank. 1981. Generation of optical pulses shorter than 0.1 psec by colliding pulse mode locking, Appl. Phys. Lett. 38, 671
[17] W.J. Tomlinson, R.H. Stolen and C.V. Shank. 1984. Compression of optical pulses chirped by self-phase modulation in fibers, J. Opt. Soc. Am. B 1, 139
[18] A. Ashkin. 1970. Acceleration and trapping of particles by radiation pressure, Phys. Rev. Lett. 24, 156
[19] A. Ashkin and J.M. Dziedzic. 1971.  Optical levitation by radiation pressure, Appl. Phys. Lett. 19, 283
[20] A. Ashkin, J.M. Dziedzic, J.E. Bjorkholm and S. Chu. 1986. Observation of a single-beam gradient force optical trap for dielectric particles, Opt. Lett. 11, 288
[21] A. Ashkin. 1992. Force of a single-beam gradient laser trap on a dielectric sphere in the ray optics regime, Biophys. J. 61, 569
[22] A. Ashkin. 1978. Trapping of atoms by resonance radiation pressure, Phys. Rev. Lett. 40, 729
[23] S. Chu, J.E. Bjorkholm, A. Ashkin and A. Cable. 1986. Experimental observation of optically trapped atoms, Phys. Rev. Lett. 57, 314
[24] A. Ashkin and J.M. Dziedzic. 1987. Optical trapping and manipulation of viruses and bacteria, Science 235, 1517
[25] A. Ashkin, J.M. Dziedzic and T. Yamane. 1987. Optical trapping and manipulation of single cells using infrared laser beams, Nature 330, 769
[26] A. Ashkin and J.M. Dziedzic. 1989. Internal cell manipulation using infrared laser traps, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 86, 7914
[27] A. Ashkin, K. Schütze, J.M. Dziedzic, U. Euteneuer and M. Schliwa. 1990. Force generation of organelle transport measured in vivo by an infrared laser trap, Nature 348, 346
[28] S.M. Block, D.F. Blair and H.C. Berg. 1989. Compliance of bacterial flagella measured with optical tweezers, Nature 338, 514
[29] T.T. Perkins. 2014. Ångström-precision optical traps and applications, Annu. Rev. Biophys. 43, 279
[30] E.A. Abbondanzieri, W.J. Greenleaf, J.W. Shaevitz, R. Landick and S.M. Block. 2005. Direct observation of base-pair stepping by RNA polymerase, Nature 438, 460
[31] T.T. Perkins, S.R. Quake, D.E. Smith and S. Chu. 1994. Relaxation of a single DNA molecule observed by optical microscopy, Science 264, 822
[32] S.B. Smith, Y. Cui and C. Bustamante. 1996. Overstretching B-DNA: the elastic response of individual double-stranded and single-stranded DNA molecules, Science 271, 795
[33] M.D. Wang, H. Yin, R. Landick, J. Gelles and S.M. Block. 1997. Stretching DNA with optical tweezers, Biophys. J. 72, 1335
[34] S.B. Smith, L. Finzi and C. Bustamante. 1992. Direct mechanical measurements of the elasticity of single DNA molecules by using magnetic beads, Science 258, 1122
[35] P. Cluzel, A. Lebrun, C. Heller, R. Lavery, J.L. Viovy, D. Chatenay and F. Caron. 1996. DNA: an extensible molecule, Science 271, 792
[36] J. Liphardt, B. Onoa, S.B. Smith, I. Tinoco Jr. and C. Bustamante. 2001. Reversible unfolding of single RNA molecules by mechanical force, Science 292, 733
[37] J. Liphardt, S. Dumont, S.B. Smith, I. Tinoco Jr. and C. Bustamante. 2002. Equilibrium information from nonequilibrium measurements in an experimental test of Jarzynski’s equality, Science 296, 1832
[38] C. Jarzynski. 1997. Nonequilibrium equality for free energy differences, Phys. Rev. Lett. 78, 2690

[39] K. Svoboda, C.F. Schmidt, B.J. Schnapp and S.M. Block. 1993. Direct observation of kinesin stepping by optical trapping interferometry, Nature 365, 721
[40] J.T. Finer, R.M. Simmons and J.A. Spudich. 1994. Single myosin molecule mechanics: piconewton forces and nanometre steps, Nature 368, 113
[41] J.E. Molloy, J.E. Burns, J. Kendrick-Jones, R.T. Tregear and D.C.S. White. 1995. Movement and force produced by a single myosin head, Nature 378, 209
[42] J.D. Wen, L. Lancaster, C. Hodges, A.C. Zeri, S.H. Yoshimura, H.F. Noller, C. Bustamante and I. Tinoco Jr. 2008. Following translation by single ribosomes one codon at a time, Nature 452, 598
[43] M.E. Aubin-Tam, A.O. Olivares, R.T. Sauer, T.A. Baker and M.J. Lang. 2011. Single-molecule protein unfolding and translocation by an ATP-fueled proteolytic machine, Cell 145, 257
[44] R.A. Maillard, G. Chistol, M. Sen, M. Righini, J. Tan, C.M. Kaiser, C. Hodges, A. Martin and C. Bustamante.2011. ClpX(P) generates mechanical force to unfold and translocate its protein substrates, Cell 145, 459
[45] D. Strickland and G. Mourou1985. Compression of amplified chirped optical pulses, Opt. Commun. 56, 219
[46] J. Desbois, F. Gires and P Turnois.1973. A new approach to picosecond laser pulse analysis shaping and coding, IEEE J. Quant. Electron. QE-9, 213
[47] R.L. Fork, O.E. Martinez and J.P. Gordon.1984. Negative dispersion using pairs of prismas, Opt. Lett. 9, 150
[48] B. Nikolaus and D. Grischkowsky.1983. 12x pulse compression using optical fibers, Appl. Phys. Lett. 42, 1
[49] E. Treacy. 1969. Optical pulse compression with diffraction gratings, IEEE J. Quant. Electr. QE-5, 454
[50] D. Strickland, P. Maine, M. Bouvier, S. Williamson and G. Mourou.1986. Picosecond pulse amplification using pulse compression techniques, in Conference on Lasers and Electro-Optics, G. Bjorklund, E. Hinkley, P. Moulton and D. Pinnow, eds., OSA Technical Digest Optical Society of America, paper THL1
[51] D. Strickland, P. Maine, M. Bouvier, S. Williamson and G. Mourou. 1986. Picosecond pulse amplification using pulse compression techniques, in Ultrafast phenomena V: Proceedings of the Fifth OSA Topical Meeting, Snowmass, Colorado, June 16-19, 1986. G.R. Fleming and A.E. Siegman, eds., (Berlin, Heidelberg, New York, Springer Verlag), p. 38
[52] P. Maine, D. Strickland, P. Bado, M. Pessot and G. Mourou.1987. En route vers le Petawatt, Rev. Phys. Appl. (Paris) 22, 1657
[53] P. Maine, D. Strickland, P. Bado, M. Pessot and G. Mourou. 1988. Generation of ultrahigh peak power pulses by chirped pulse amplification, IEEE J. Quantum Electron. QE-24, 398
[54] O.E. Martinez. 1986. Grating and prism compressors in the case of finite beam size, J. Opt. Soc. Am. B 3 929
[55] O.E. Martinez.1987. 3000 times grating compressor with positive group velocity dispersion: Application to fiber compensation in the 1.3-1.6 m region, IEEE J. Quant. Electron. QE-23, 59
[56] M. Pessot, P. Maine and G. Mourou.1987. 1000 times expansion/compression of optical pulses for chirped pulse amplification, Opt. Commun. 62, 419
[57] A. Dubietis, G. Jonusauskas and A. Piskarskas.1992. Powerful femtosecond pulse generation by chirped and stretched pulse parametric amplification in BBO crystal, Opt. Commun. 88, 437
[58] P. Moulton.1982. Ti-doped sapphire: tunable solid-state laser, Opt. News 8, 9
[59] M.D. Perry, D. Pennington, B.C. Stuart, G. Tietbohl, J.A. Britten, C. Brown, S. Herman, B. Golick, M. Kartz, J. Miller, H.T. Powell, M. Vergino and V. Yanovsky.1999. Petawatt laser pulses, Opt. Lett. 24, 160
[60] S. Backus, C.G. Durfee III, M.M. Murnane and H.C. Kapteyn. 1998. High power ultrafast lasers. Rev. Sci. Instrum. 69, 1207.
[61] C. Danson, D. Hiller, N. Hopps and D. Neely. 2015. Petawatt class lasers worldwide. High Power Laser Science and Engineering, vol. 3, p. 1.
[62] L.V. Keldysh1965. Ionization in the field of a strong electromagnetic wave, Sov. Phys. JETP 20, 1307
[63] F.H.M. Faisal.1973. Multiple absorption of laser photons by atoms, J. Phys. B 6, L89
[64] H.R. Reiss.1980. Effect of an intense electromagnetic field on a weakly bound system, Phys. Rev. 22, 1786
[65] M.V. Ammosov, N.B. Delone and V.P. Krainov.1986. Tunnel ionization of complex atoms and atomic ions in an alternating electric field, Sov. Phys. JETP 64, 1191
[66] M. Ferray, A. L’Huillier, X.F. Li, L.A. Lompre, G. Mainfray and C. Manus.1988. Multiple-harmonic conversion of 1064 nm radiation in rare gases, J. Phys. B 21, L31
[67] X.F. Li, A. L’Huillier, M. Ferray, L.A. Lompré and G. Mainfray. 1989. Multiple-harmonic generation in rare gases at high laser intensity, Phys. Rev. A 39, 5751
[68] S. Augst, D. Strickland, D.D. Meyershofer, S.L. Chin and J.H. Eberly.1989. Tunneling ionization of noble gases in a high-intensity laser field, Phys. Rev. Lett. 63, 2212
[69] P. Agostini, F. Fabre, G. Mainfray, G. Petite and N.K. Rahman.1979. Free-free transitions following six-photon ionization of xenon atoms, Phys. Rev. Lett. 42, 1127
[70] K.J. Schafer, B. Yang, L.F. DiMauro and K.C. Kulander. 1993. Above threshold ionization beyond the high harmonic cutoff, Phys. Rev. Lett. 70, 1599
[71] K.C. Kulander, K.J. Schafer and J.L. Krause.1993. Dynamics of short-pulse excitation, ionization and harmonic conversion, in Super-Intense Laser-Atom Physics, NATO ASI Series (Series B: Physics), 316, 95
[72] P.B. Corkum. 1993. Plasma perspective on strongfield multiphoton ionization, Phys. Rev. Lett. 71, 1994 .
16 (16)
[73] Gy. Farkas and Cs. Tóth.1992. Proposal for attosecond light pulse generation using laser induced multiple-harmonic conversion processes in rare gases, Phys. Lett. A 168, 447
[74] P.M. Paul, E.S. Toma, P. Breger, G. Mullot, F. Augé, Ph. Balcou, H.G. Muller and P. Agostini.2001. Observation of a train of attosecond pulses from high harmonic generation, Science 292, 1689
[75] M. Hentschel, R. Kienberger, C. Spielmann, G.A. Reider, N. Milosevic, T. Brabec, P. Corkum, U. Heinzmann, M. Drescher and F. Krausz.2001. Attosecond metrology, Nature 414, 509
[76] F. Calegari, G. Sansone, S. Stagira, C. Vozzi and M. Nisoli. 2016. Advances in attosecond science, J. Phys. B 49, 062001
[77] T. Tajima and J.M. Dawson.1979. Laser electron accelerator, Phys. Rev. Lett. 43, 267
[78] W.P. Leemans, A.J. Gonsalves, H.-S. Mao, K. Nakamura, C. Benedetti, C.B. Schroeder, Cs. Tóth, J. Daniels, D.E. Mittelberger, S.S. Bulanov, J.-L. Vay, C.G.R. Geddes and E. Esarey.2014. Multi-GeV electron beams from capillary-discharge-guided subpetawatt laser pulses in the self-trapping regime, Phys. Rev. Lett. 113, 245002
[79] U. Linz and J. Alonso. 2007. What will it take for laser driven proton accelerators to be applied to tumor therapy?, Phys. Rev. ST Accel. Beams 10, 094801
[80] W. Sekundo, K.S. Kunert and M Blum. 2011. Small incision corneal refractive surgery using the small incision lenticule extraction (SMILE) procedure for the correction of myopia and myopic astigmatism: results of 6 month prospective study, Br. J. Ophthalmol. 95, 335
[81] F. Lin, Y. Xu and Y. Yang.2014. Comparison of the visual results after SMILE and femtosecond laser-assisted LASIK for myopia, J. Refract. Surg. 30, 248