Det kvittrar i laserlabbet

Jo, exjobbet är ju färdigt, skrev jag tidigare. Det har dock tillkommit ett moment i år för att man ska få sitt arbete godkänt. En ett par sidor lång sammanfattning av sitt arbete måste nedtecknas, antingen i form av en vetenskaplig eller populärvetenskaplig artikel, utöver den uppsats man skrivit. Och utöver den halvtimmes långa muntliga presentation man hållit. Jag undrar vad som kommer härnäst, att man ska presentera sitt arbete i form av en radiopjäs månne? Äsch, jag ska hålla tyst; det verkar ju som att jag fått läsare under den senaste tiden och jag vill inte riskera någonting då risken finns att någon av dessa läsare kan vara en höjdare på LTH vars reaktion på mitt spefulla förslag blir "Ja, men det kanske vore något..."

Nåväl, jag har tillbringat kvällen med att slänga ihop en sammanfattning av det ämne som mitt arbete rör sig inom, i form av ett allmänt tramsigt försök till en populärvetenskaplig artikel. Läs eller dö. Eller det kanske skulle vara "läs och dö"? Nåväl, här vi gå:

Den Kvittrande Lasern
- eller hur man mäter sin skostorlek med sin egen fot som linjal
Ett drygt tre sidor kort epos i de surrealistiska kroppsdelarnas värld

Lasern var en av det förra århundradets stora uppfinningar. Den bygger på principer som kan spåras tillbaka till Einstein i början av 1900-talet, men det var först 1960 som man lyckades konstruera den första fungerande anordningen. Användningsområdena för lasern är många. Inom medicinen används den bl.a. som hjälpmedel vid ögon- och plastikkirurgi, och metoder för diagnostisering och behandling av cancer med laserljus är under utveckling. Inom fysiken och kemin är lasern ett oumbärligt instrument, där den bl.a. används för spektroskopiska ändamål, d.v.s. undersökningar där man försöker bestämma vilka ämnen en okänd lösning eller gas består av, utgående från ljuset som lösningen eller gasen sänder ut när man belyser den; ett direkt användningsområde för detta kan vara att mäta förekomsten av giftiga ämnen i luften. I vårt direkta vardagsliv är lasern ständigt närvarande i form av Cd- och Dvd-skivor, vilka avläses i skivspelaren med en laserstråle. Och vad som kanske är allra viktigast – streckkodsavläsarna. Hur skulle vi egentligen klara oss utan dem?

Det speciella med lasern är att den sänder ut ljus med speciella egenskaper som inte kan uppnås med andra ljuskällor. Ljuset från en glödlampa skänker oss förvisso ett välkommet sken då mörkret faller på framåt kvällen, men är för vissa ändamål inte bra nog. För det första sänds ljuset ut i vilken riktning som helst. För det andra består ljuset från en glödlampa av en mängd olika våglängder (d.v.s. en mängd olika färger), vilket vi uppfattar som vitt ljus. Om vi exempelvis vill ha en samlad ljusstråle inom ett smalt våglängdsområde (d.v.s. av en enda färg) är glödlampan tämligen värdelös, men det är just dessa egenskaper som en laserstråle har. När man väl har denna skarpa, samlade stråle kan man använda den för att utföra allt det som räknades upp i föregående stycke.

Även om streckkodsavläsare är imponerande apparater i sig, är det dock inte allt som laserfysikerna fokuserar på. Ett hett forskningsämne nu för tiden är s.k. ultrasnabb laserfysik. Målet är här att producera ”skott” av laserljus – laserpulser – som varar så kort tid som möjligt. Detta sker genom att lägga samman laserljus av olika våglängder som täcker ett brett våglängdsområde och låsa dessa till varandra, exempelvis genom en teknik som kallas modlåsning. På så sätt kan man i nuläget producera pulser som varar i drygt 100 attosekunder. En attosekund motsvarar en miljarddels miljarddels sekund; det är alltså tämligen snabba förlopp det rör sig om, för att uttrycka sig milt.

Anledningarna till att man vill producera så korta laserpulser som möjligt kan grovt indelas i två:

Ett: Med korta pulser kan man utföra experiment som kräver höga energier, utan att för den skull behöva producera så mycket energi i det långa loppet. Tanken är här att koncentrera den lilla energi man har i lasern till att urladdas under så kort tid som möjligt, och på så sätt producera laserpulser med väldigt hög effekt. Står man och boxar lagom oengagerat på en sandsäck under en timme, utan att lägga någon större kraft bakom slagen händer det inte särskilt mycket intressant; samlar man däremot alla de slag man utsatt säcken för under timmen till ett enda, flyger däremot sandsäcken all världens väg, ut genom fönstret. De situationer där effekten är hög är högst intressanta för fysiker, för det är först då som häftiga saker börjar hända. Man utsätter mer än gärna atomer eller molekyler för korta, högenergetiska laserpulser, i syfte att studera de effekter som uppkommer då de slits sönder. Då pressar man sina teorier kring atomer och laserstrålning till det yttersta, och kanske upptäcker man något nytt fenomen som ger en ny insikt i sina teorier och eventuellt nya nyttiga tillämpningar i framtiden.

Två: Korta pulser möjliggör att man kan mäta processer som sker under väldigt kort tid. För att förklara detta stannar vi kvar i sportens underbara värld, men lämnar den något brutala boxningen och beger oss ut på löparbanan. Vi har nu i uppgift att mäta den tid det tar för en löpare att fullborda ett varv runt banan. Enkelt, säger vi, och ber den som givit oss denna uppgift om ett stoppur. Nej, riktigt så enkelt ska det inte bli, flinar vår lätt sadistiske uppdragsgivare och räcker oss en stor väggklocka med visare istället. Denna klocka har den lilla egenheten att likt dem som satt uppe i klassrummen då vi gick i lågstadiet, så rör dess minutvisare på sig först när en hel minut har gått. Någon sekundvisare ser vi inte röken av.

Detta leder självklart till problem; om löparen fullbordar ett varv på 1.50 är det strängt taget omöjligt att mäta upp detta med vår klocka, eftersom dess noggrannhet helt enkelt inte är avsedd för att mäta någonting annat än hela minuter. Värre blir det när vår uppdragsgivare (som vi vid det här laget börjar ana inte alls är människa, utan härstammar från någon diabolisk källardimension) ber oss ta tid på ett 100-meterslopp som just ska till att starta. Nu klarar vi oss inte ens med en sekundvisare, utan istället behöver vi en digitalklocka som kan mäta hundradelar av en sekund.

Det står klart att ju snabbare förlopp vi vill mäta, desto noggrannare klocka behöver vi. Detta blir plågsamt uppenbart för en kemist som vill studera de mekanismer som ligger bakom kemiska reaktioner, där olika ämnen reagerar med varandra för att i slutändan resultera i nya ämnen. Detta är processer som sker under några femtosekunder, där en femtosekund står för en miljondels miljarddels sekund; en ofattbart kort tid alltså. För att kunna studera och mäta dessa korta förlopp måste man alltså använda sig av någonting som varar lika länge (jämför med att för att mäta en sekund så behöver man en sekundvisare). Lösningen ligger här i, som den uppmärksamme läsaren kanske redan anat, de ultrasnabba laserpulserna. Genom att bestråla molekylerna som ingår i reaktionen och på så sätt ”avsöka” den erhåller man den noggrannhet man var ute efter.

Men det finns även en annan aspekt av mätproblemet. För att kunna vara säkra på att våra mätresultat är de rätta vill vi även att vår klocka ska gå rätt; sekundvisaren måste motsvara exakt en sekund. Motsvarigheten till detta i laserfysiken är att vår laserpuls verkligen måste vara 35 femtosekunder lång, och inte 20 eller 50. Tror vi att den är 35 när den egentligen är 50, blir resultatet av våra mätningar självfallet fel. Innan vi startar vårt riktiga experiment måste vi alltså börja med att bestämma hur själva laserpulsen uppför sig. Och det är inte det lättaste.

De kortaste pulser som fysikerna har lyckats producera är i en slags mening det allra kortaste ögonblick som någonsin skapats av människan. Och vad mäter man det allra kortaste ögonblicket med? Frågan kan formuleras annorlunda: Hur mäter man sin skostorlek om det kortaste mått man har tillgång till är sin egen fot?

För att lösa detta problem har en mängd olika tekniker utvecklats, vilka alla benämnts med mer eller mindre långsökta namn så att förkortningarna bildar olika djur. Spectral Phase Interferometry for Direct Electric-field Reconstruction blir SPIDER. Reconstruction of Attosecond Beating by Interference of Two-Photon Transitionsblir RABITT. (Ja, enligt den standard de har på avdelningen för atomfysik på LTH så stavas det så.) Och så vidare. Mitt examensarbete har dock hållit sig på amfibiestadiet, då det har fokuserat på en teknik benämnd FROG, vilket står för Frequency Resolved Optical Gating.

Den idé som FROG bygger på grundas i insikten att man för att mäta den korta laserpulsen, kan använda sig av pulsen själv. Genom att dela upp pulsen i två delar kan man svepa den ena delen över den andra. Då de båda delarna i detta svep överlappar varandra i ett speciellt s.k. olinjärt optiskt medium, ger detta upphov till en signal, annars inte. Denna resulterande signal mäts sedan med en spektrometer, vilket är ett instrument som mäter våglängdsinnehållet hos signalen. Resultatet efter ett svep blir en tvådimensionell figur likt den i bilden nedan, där signalens våglängdsinnehåll åskådliggörs för varje tidpunkt i svepet.

Genom att i ovanstående figur mäta på x-axeln hur lång denna signal är, kan man få en uppfattning om hur länge själva laserpulsen varar. Genom att man dessutom mäter våglängden hos signalen, kan man även utläsa andra egenskaper hos pulsen.

Ett problem hos snabba pulser är att deras våglängdsinnehåll kan ha en tendens att förändras med tiden. Detta fenomen brukar av de engelskspråkiga betecknas som ”chirp”, vilket på svenska betyder någonting i stil med ”kvitter” Anledningen till denna något udda benämning är att våglängden hos pulsen ändras på samma sätt som tonerna gör i fåglarnas sång (glidande från låg ton till hög, eller tvärtom). Detta fenomen leder till att våglängderna i pulsen inte längre låser perfekt till varandra, och pulsen kan därför förlängas. Detta är självfallet inte önskvärt eftersom man oftast är ute efter att producera så korta pulser som möjligt, och därför är man ytterst intresserad av att förutom själva pulslängden, även mäta ”kvittret” i pulsen. Som synes i figuren ovan kan man även få information om detta fenomen genom en FROG-mätning, där förändringen i våglängd ger upphov till en lutning i själva signalen.

Även om man kan få ut mycket information bara genom att studera figuren ovan, är detta inte nog. För att mer precist bestämma längden på pulsen och dess kvitter måste man gå andra vägar. Vad detta examensarbete gått ut på, har varit att skriva och tillämpa en särskild algoritm – ett datorprogram – som utifrån FROG-mätdata samt kunskap om de fysikaliska processer som sker då FROG-signalen skapas, stegar sig tillbaka och listar ut exakt hur den ursprungliga laserpulsen såg ut från början.

Den algoritm som normalt används för denna typ av karakterisering idag kallas Principal Components Generalized Projections Algorithm (PCGPA) och utvecklades för ungefär åtta år sedan. Det är denna som jag har försökt implementera under det dryga halvår som tiden för mitt examensarbete har varat. Resultatet har varit positivt. Datorsimuleringar har visat att algoritmen är ytterst kraftfull för att karakterisera både femto- och attosekundpulser, och då programmet har testats på experimentella data har resultaten varit högst lovande för femtosekundspulser i det extremt ultravioletta våglängdsområdet. Allt detta gör det troligt att man kommer att lyckas med en heltäckande karakterisering av riktiga attosekundspulser utgående från PCGPA inom en inte alltför avlägsen framtid.

Slutsatsen är alltså att det ser ljust ut. Det finns ett bra sätt att mäta sekundvisaren på, och det är inte bara din skostorlek som du kan bestämma med hjälp av din egen fot; du kan dessutom spela in fotens fågelsång med den.

Fast nu är det bäst att den här artikeln snabbt får ett avslut, innan det blir alldeles för surrealistiskt.


(Notera att bilden är lite konstig, med linjer i hörnen som inte bör vara där. Ingenting jag orkar ändra för tillfället. Förlåt. Jag hade antagligen kunnat slänga in en massa spexiga hyperlänkar i texten också, men som om jag orkar det så här mitt i natten. Ni får googla om ni är intresserade av något. Förlåt, än en gång.)