Den 23. marts forsvarede lektor Morten Bache fra DTU Fotonik sin doktorafhandling. Det var den foreløbige kulmination på ti års passioneret bestræbelse på at opnå optimal kontrol over laserstråler, så de kraftfulde og ekstremt korte impulser fra laserlyset kan bruges til at undersøge og manipulere atomare og molekylære processer. En forskning, der konstant kaster ny og overrumplende viden af sig.
”Laseren blev opfundet nogenlunde parallelt med opdagelsen af kaos og fraktaler, og man fik øjnene op for, at de matematiske modeller, der ligger til grund, indeholdt en universel beskrivelse af, hvordan de ulineære effekter opfører sig. De modeller bruger vi til at studere ulineære effekter, når kraftigt laserlys rejser gennem et materiale. Det er et rigt og komplekst felt, og hver gang vi bruger laseren i en ny sammenhæng, kommer der ny viden,” fortæller han.
Afhandlingen samler op på ti års forskning, der har ligget i forlængelse af Morten Baches ph.d. på DTU og postdoc i Italien. Sigtet har været at komprimere kraftige infrarøde laserimpulser til så kort varighed, at forskerne kan fastfryse atomare og molekylære tidsskalaer, der eksempelvis i en kemisk reaktion går fra et produkt til et andet. En tidsskala, der er så hurtig, at den ikke kan måles med elektroniske virkemidler. I det område, hvor atomer og molekyler lever, kræver det ekstremt korte laserimpulser at kunne se, hvad der sker.
”I det forskningsområde af atomar og molekylær optisk fysik, som jeg er i, er vi drevet af at have så meget kontrol over laserlyset, at vi både kan måle, kontrollere og manipulere de mindste ting på molekyle- eller atomarniveau og hele tiden producere nye idéer. Der er ingen grænse for, hvor korte laserimpulser, vi har brug for. Jo kortere, jo mere kan vi undersøge. Vi har tidsopløsning nok til at studere molekyler, der vibrerer, men det er en udfordring at lave korte laserimpulser med den helt rigtige ’farve’ i det melleminfrarøde, hvor molekylevibrationerne har deres naturlige svingningsfrekvenser,” forklarer han.
"Det er et rigt og komplekst felt, og hver gang vi bruger laseren i en ny sammenhæng, kommer der ny viden."
Morten Bache
Må bruge ulineære teknikker
Et eksempel kan være at sætte laserlyset til at studere dynamikken af et vandmolekyle. Vand er uhyre komplekst og et område, der langt fra er undersøgt til bunds. Og for at studere tidsdynamikken af vandets molekylære vibrationer kræves laserimpulser, der er kraftige og meget korte med længere bølgelængder i det melleminfrarøde. Forskerne vil også gerne helt derned, hvor de kan tidsopløse elektronens bevægelser, hvilket kræver kraftige laserimpulser med meget korte bølgelængder i det ultraviolette område.
”Fælles er, at disse laserimpulser ikke kan skabes direkte af de kommercielle infrarøde lasere, så vi må bruge ulineære teknikker for at konvertere laserstrålens bølgelængde til de kortere eller længere bølgelængder. Det vil sige, at vi kontrollerer, hvilke ’farver’ laserlyset består af, og samtidig opnår vi så korte impulser, at vi kan studere de tidsskalaer, der ligger under fysikken,” siger han og uddyber:
”Udgangspunktet er egentlig meget simpelt. Vi tager en kommerciel laser og groft sagt smadrer lyset ind i et stykke materiale. Det kan være glas, vand, en gas, en optisk fiber eller som i mit tilfælde en krystal. Og så studerer vi, hvad der sker. Vi har nok spidseffekt i laserlyset til at sætte ulineære effekter i gang hvor som helst – selv i luft. Kunsten er at forstå og kontrollere de ulineære effekter, som vi ser.”
Lys gennem krystaller
Generelt er Morten Baches forskning og i særdeleshed hans afhandling bygget på laserlys, der passerer gennem en type krystaller, som dagligt bruges verden over til at lave laserlys med nye farver. Krystallen har vist sig at give adgang til en kontrol over de ulineære effekter, som ingen andre systemer har. Krystallen er den samme, som man brugte helt tilbage i de første lasereksperimenter i 1960’erne, og i dag ligger der en tilsvarende krystal i alle grønne laserpointere. Så det er overraskende, at den vedblivende giver nye og interessante resultater.
”Ved at manipulere med krystallen kan jeg få en kontrol og en adgang til ulineære effekter, som man ikke kan opnå andre steder. Anvendelsesperspektiverne opstår ved at have kontrol over og forstå laserlyset og de ulineære effekter i kraft af de ultrakorte laserimpulser. Det lineære er dødkedeligt. Det er ved at omfavne den ulineære tankegang, at vi bliver i stand til at lave et laserlys, der kan få elektroner til at hoppe og danse.”
Titlen på Morten Baches doktorafhandling er: ”Cascaded Nonlinearites for Ultrafast Optical Science and Applications.”