Stulbinantis lazerių pasaulis: Lietuvos fizikai stebi tokius reiškinius, kurių anksčiau beveik niekas nematė

Be šviesos nieko nematytume, nebent tamsą. Akivaizdu, kad šviesos reikšmė žmonijai neįkainojama. Todėl bet kokie išradimai, susiję su šviesa, taip pat dažnai susilaukia didelio visuomenės dėmesio. Jungtinės Tautos 2015 metus netgi paskelbė tarptautiniais šviesos metais. Tai gera proga pasmalsauti: kuo gali būti ypatinga lazerių šviesa?

Tiesiogiai lazerio spindulių mokslininkai nemato

Mokslininkai, kurie dirba su lazeriais, žino, kad lazerio spindulį galima pamatyti daugiausia du kartus gyvenime: pirmąjį kartą – su viena akimi, antrąjį – su kita. Lazerio spinduliai gali būti itin galingi ir yra gerai fokusuojami akies lęšiuku – tad tinklainėje gali išdeginti skylutę. Žmogus, „matęs“ lazerio spindulį, likusį gyvenimą skaito laikraščius matydamas juose juodų dėmių.

Laimei, dauguma buityje naudojamų lazerių yra „beveik“ nepavojingi, nes šviečia nuolat, t. y. nuolatinės veiklos režimu, ir yra negalingi. Tačiau mokslui ir pramonei dažniau panaudojami kur kas galingesni impulsiniai lazeriai, kurie šviečia šviesos pliūpsniais. Jie gali pjauti ir virinti metalą, atlikti sudėtingus matavimus ir milijonus kitokių naudingų žmonėms darbų. Todėl tarp fizikų lazerininkų egzistuoja ir profesinių pokštų, kaip antai paraginimas „užsidėk saugos akinius ir nežiūrėk į lazerį su likusia sveika akimi“.

Dirbant su lazerio spinduliais visada tenka imtis papildomų saugos priemonių, kurios gelbėja nuo nelaimingų atsitikimų. Paradoksalu, bet beveik visą savo gyvenimą tiesiogiai lazerio spindulių mokslininkai taip ir nepamato, o jei kuris nors ir pamato, tai tuo nesidžiaugia.

Netiesiogiai lazerio spindulį pamatyti galima tik šviesą barstančioje terpėje (pvz., dūmuose arba rūke) dėl šviesos sklaidos reiškinio, kai nuo mažų vandens lašelių šviesa nukrypsta į visas puses. Tačiau net jei ir pamatytume sklindantį lazerio spindulį, vargu ar suprastume, iš kurios pusės tokia šviesa atsklido, kaip mums rodo kai kuriuose filmuose su specialiaisiais efektais. Mat moksle jau ne kartą įrodyta, kad šviesos greitis vakuume yra labai didelis ir siekia 299 792 458 m/s, tai yra gerokai daugiau, negu tas greitis, kurį žmogui įmanoma pamatyti plika akimi, kai objektą juda taip greitai.

Tad ar įmanoma pamatyti, kaip juda šviesa?

Naujos kartos „fotoaparatas“

Vilniaus universiteto Lazerinių tyrimų centro mokslininkai žino, kaip tai padaryti. Bet apie viską iš eilės. Nuo pirmųjų prof. A. Piskarsko vadovaujamoje laboratorijoje paskelbtų išradimų lietuvių lazerininkai garsėja kaip gerai mokantys „gaminti“ itin trumpus lazerių impulsus (suspaustus laike), kurių trukmė siekia vos keletą dešimčių femtosekundžių (10-15 s), o momentinė tokių impulsų galia pranoksta kelių atominių elektrinių galią.

Nesunku suprasti, kad per tokį trumpą laiką šviesos impulsas erdvėje tegali nusklisti vos keletą mikrometrų, t. y. 0,000 000 000 000 02 s * 299 792 458 m/s = 0,00000599 m, arba maždaug 6 µm. Palyginimui galime įsivaizduoti, kad žmogaus plaukas yra apie 10 kartų storesnis. Kas iš to?

Leiskime sau pasvajoti, kaip tai darė dainininkas Andrius Mamontovas savo dainoje: „Galbūt ne šviesos žiba tamsoj, o tamsa jose?“

Juk iš tiesų, jeigu šviesa mestų savo šešėlį, turėtų būti įmanoma ją nufotografuoti! Panašiai kaip ir fotoaparato blykstė tamsoje „sustabdo“ greitai judančias mašinas ar net kulkas, jei tik tinkamu laiku nuspaudžiamas fotoaparato mygtukas ir panaudojama itin trumpai šviečianti blykstė. Fizikai tai vadina stroboskopo principu.

Nesvarbu, kad pats objektas tamsoje juda labai greitai, jei apšviečiame jį labai trumpa blykstės šviesa, mums atrodo, kad tas objektas yra sustabdytas laike.

Taigi, norint nufotografuoti, kaip juda šviesa, belieka išsiaiškinti, ar iš tiesų egzistuoja sąlygos, kai šviesa gali mesti savo šešėlį. Gamta to nedraudžia! Tais atvejais, kai galinga lazerio šviesa keliauja, pvz., vandeniu, ji gali paveikti jį taip, kad šis iš karto susižadina ir kuriam laikui pavirsta „metalu“. Toks metalu virtęs vanduo yra labai karštas ir neskaidrus, tad lengvai meta šešėlį, kol vėl virsta įprastu vandeniu.

Situacija panaši į tokią, kai vandeniu beveik šviesos greičiu skrieja metalinis strypas, kurį pats lazerio impulsas ir sukuria. Taigi, turint du lazerio impulsus – vieną, kuris vandenį paveikia taip, jog šis virsta metalu ir kitą, itin trumpą jo kopiją, kuri veikia kaip blykstė – galima pabandyti nufotografuoti šviesos sklidimą skaidriose terpėse (t. y. to sklidimo šešėlį).

Eksperimentas pavyko: dar būdami Vilniaus universiteto studentai 2008 m. jį atliko Tadas Balčiūnas ir Andrius Melninkaitis su vyresniojo kolegos dr. G. Tamošausko pagalba. Pamatyti vaizdai pakerėjo visus.

Šviesos sklidimas skaidrioje terpėje – safyro kristale.
Nerijaus Šiaulio ir Andriaus Melninkaičio nuotr.

Jie šiek tiek priminė kometą danguje. Kometos galva matoma dėl momentinio lūžio rodiklio pokyčio ir atkartoja judančio šviesos paketo formą, o iš paskos jai – „metalinė uodega“, kuri meta šešėlį dėl ilgiau gyvuojančios sužadintųjų laisvųjų elektronų plazmos.

Mokslininkai greitai suprato, kad pagamino naujos kartos „fotoaparatą“, kuris mato ir gali nufilmuoti pačius greičiausius procesus, net ir šviesos sklidimą: jis veikia daug greičiau negu visi iki tol turėti prietaisai.

A. Mamontovas tikrai nesuklydo: tamsa tikrai gali žibėti šviesoje padovanodama pasauliui labai daug naudingos informacijos apie greitus reiškinius. Tokiu būdu galima stebėti ne tik šviesos sklidimą medžiagoje, bet ir tirti greitai besikeičiančias medžiagų savybes, registruoti iš lazerio paveiktos zonos skriejančias šoko bangas, daleles, kurių greitis siekia 18 km/s, ir procesus, kai medžiagos pradeda lydytis ir vėl ataušta!

Tobulina lazerinį prietaisą

Išties nuostabu stebėti reiškinius, kurių anksčiau beveik niekas nematė. Vienas iš įdomiausių procesų, kurį pavyko nufilmuoti Vilniaus universiteto Lazerinių tyrimų centro mokslininkams, buvo lazerinės pažaidos procesas plonasluoksnėse dangose, naudojamose lazerių detalėms – veidrodžiams gaminti. Paaiškėjo, kad medžiagą veikiant trumpu lazerio impulsu ši suyra ne iš karto, o tik po kurio laiko, kai lazerio impulso veikimas jau būna pasibaigęs. Tada sukaupta elektronų energija pamažu atiduodama medžiagos gardelės atomams, kurie įkaista ir yra „išspjaunami“ į aplinką karštų nanodalelių ir garų pavidalu. Stebimi reiškiniai panašūs į atominio grybo sprogimą, tik vyksta kur kas mažesniame tūryje ir daugybę kartų greičiau.

Šie tyrimai neliko nepastebėti ir pasaulyje. Bendras lietuvių ir prancūzų mokslininkų darbas „Application of Time-resolved Digital Holographic Microscopy to Study Femtosecond Damage Process in Thin Films“ buvo pripažintas geriausiu žodiniu pranešimu tarptautinėje mokslinėje konferencijoje „SPIE Boulder Damage 2013“, kuri nuo pat lazerio išradimo laikų vyksta Jungtinėse Amerikos Valstijose.

Dabar šis prietaisas toliau tobulinamas ir ruošiamas naujiems eksperimentams. Pagal dvišalį Lietuvos ir Prancūzijos mokslininkų mainų Žilibero programos projektą į Vilniaus universiteto atviros prieigos centrą „Naglis“ daryti eksperimentų atvyksta mokslininkai iš Paryžiaus. Jie kartu su lietuviais sieks nufilmuoti reiškinius, kurie vyksta po to, kai medžiagos yra išardomos lazerio spinduliu ir formuojasi nauji medžiagų junginiai. Geriau supratus, kas vyksta ardymo metu, bus galima pagaminti daug atsparesnes medžiagas, kurios leis patobulinti esamus lazerius ateityje ir taip sukurti didesnę jų pridėtinę vertę.

Doc. dr. Andrius Melninkaitis, VU Fizikos fakultetas

   

Facebook komentarai