Mindezen innovációt az alapozta meg, hogy Albert Einstein kidolgozta a sugárzás (fény) kvantumelméletét, leírva a kényszerített emisszió jelenségét (ennek során egy gerjesztett állapotú atomot egy foton arra kényszerít, hogy felesleges energiáját a már meglevő fotonnal azonos állapotú foton formájában sugározza ki – ezáltal erősítve az anyagon áthaladó fényt). Innen származik az elnevezés is, LASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (fényerősítés kényszerített emisszió révén). A kényszerített emisszió gyakorlati alkalmazására az 1940–1950-es években történt kísérlet, amely a mikrohullámú tartományban már működő MASER-en keresztül végül Alekszandr M. Prohorov, Charles H. Townes és Nyikolaj G. Baszov munkássága nyomán jutott el arra a szintre, hogy Theodore H. Maiman 1960-ban demonstrálta a lézerműködést (Maiman, 1960). Az első néhány évben a lézert úgy bélyegezték, hogy „a solution in search of a problem” (egy megoldás, amely problémára vár). Az azóta eltelt bő ötven évben a lézerek látványosan megtalálták a segítségükkel megoldható problémákat.

Az optikai csipesz „atyjának” is nevezett Arthur Ashkin lézerekkel a fénynyomást fogta munkára apró testek mozgatásához. A fénynyomás vagy sugárnyomás koncepcióját Kepler már a 17. században felvetette az üstököscsóvák helyzetének magyarázatára, de mennyiségi leírását először James C. Maxwell adta meg az elektromágnesség hullámelméletével. Néhány évtizeddel később Einstein kvantumfizikai képbe illesztve határozta meg a foton lendületét. Ezek alapján a sugárnyomás abból ered, hogy ha a sugárzás (például egy fénynyaláb) irányát vagy intenzitását egy tárgy (például tükör) megváltoztatja, akkor a sugárzás lendülete is megváltozik. Newton 3. törvénye szerint ekkor a tárgy (tükör) a sugárzáséval ellentétes lendületváltozást szenved, vagyis erő hat rá. A sugárnyomás hatására fellépő erők a mindennapi életben rendkívül kicsik, ezért kísérleti kimutatásuk is nehéz: egy parkoló fekete autóra a napsütés következtében nagyjából egy szúnyog súlyának megfelelő erő hat.

Ashkin egyetemistaként, a II. világháború alatt katonai radarokhoz használt nagy teljesítményű magnetronok építésén dolgozott. Ekkor gondolt először arra, hogy az azokkal keltett mikrohullámok sugárzási nyomása esetleg kis tárgyakat is megmozgathat (URL1).

Később a Bell Telephone Laboratories kutatóintézetben kezdett dolgozni. A híres intézet falai között végzett munkák eddig egyébként kilenc Nobel-díjat eredményeztek. Ashkin egy konferencián hallott – a lézerek gázzal teli rezonátorában megfigyelt részecskemozgásokról szóló – előadás után döntött úgy, hogy a sugárnyomás kimutatásán és alkalmazásán fog dolgozni. Kiszámolta, mekkora erők hatnak egy lézernyalábbal megvilágított, mikroméretű átlátszó golyóra, és rájött, hogy nagyobb erőhatások lépnek fel fókuszált lézernyaláb esetén. A lézerek különleges tulajdonságai lehetővé teszik ugyanis, hogy nagy intenzitású nyalábokat igen kis területre fókuszáljunk. Úttörő munkájában Ashkin (1970) azt tapasztalta, hogy az erős fókuszált lézernyaláb úgy lökte előre a vízben lebegő mikroméretű latexgolyókat, hogy azokat egyúttal a nyaláb közepéhez húzta. A következő kísérletében két egymással szemben haladó lézernyaláb egyenlő erővel ellenkező irányba próbálta lökni a golyókat, így azok már nem mozogtak a nyaláb mentén. Azonban a másik hatás továbbra is működött, mindkét nyaláb középre húzta a golyókat. Először valósult meg tárgyak (latexgolyók) fénnyel történő stabil rögzítése, vagyis optikai csapdázása. Ashkin felismerte, hogy a kis golyókra kifejtett erők egyik komponense a legnagyobb fényintenzitás, vagyis a nyaláb közepe felé mutat, ezért gyűlnek ott össze a golyók. Ez az ún. gradienserő teszi lehetővé a csapdázást. A másik, a nyaláb terjedési irányába mutató erőkomponens, az ún. szórási erő előrelöki a golyókat, tehát nehezíti a csapdázást. Ashkin a szórási erő kiküszöbölésére használt két ellentétes irányú nyalábot.

Egy évvel később már egyetlen, függőlegesen felfelé irányított nyalábbal képes volt 10 mikronos üveggyöngyöket csapdázni. Itt a szórási erőket a gravitációs erő kompenzálta, egy szökőkút tetején kiegyensúlyozott labdához hasonlóan (Ashkin–Dziedzic, 1971). Már ekkor az az ötlete támadt, hogy a lézernyalábok talán még kisebb méretskálán atomok és molekulák manipulálására, csapdázására is használhatók. Az elkezdett munkához csatlakozott Steven Chu is, aki jelentős előrelépéseket ért el, és végül sikeresen alkalmazta a lézernyalábokat atomok hűtésére és csapdázására. Chu, valamint William D. Phillips és Claude Cohen-Tannoudji 1997-ben kapta meg a fizikai Nobel-díjat az atomok lézeres hűtésének és csapdázásának elméleti és kísérleti kidolgozásáért. Akkor többen adtak hangot annak a véleménynek, hogy hozzájárulása alapján Ashkin szintén megérdemelte volna a díjat. Még egy kitüntetés kapcsolódik ide: az atomok lézeres hűtésével sikerült az anyag egy különleges állapotának, a Bose–Einstein-kondenzációnak a kísérleti megvalósítása, amelyet 2001-ben díjazott a Svéd Királyi Akadémia. De térjünk vissza a 80-as évekbe! Ashkin meggyőződése volt, hogy egyetlen, igen nagy szögben fókuszált lézernyaláb is képes lehet csapdázásra, a gradienserők legyőzhetik a destabilizáló szórási erőt. Ezt kísérleteiben sikeresen demonstrálta, és megszületett az optikai csipesz ma is használatos, egynyalábos alapvető kísérleti elrendezése (Ashkin et al., 1986). Ashkin azonnal felismerte, hogy ez az eszköz biológiai objektumok csapdázására is alkalmas lehet. Dohánymozaik-vírusokkal kezdett kísérletezni, de végül egy baktériumokkal véletlenül fertőződött mintában sikerült először élő sejteket csapdáznia. A továbbiakban sikeresen csapdáztak élesztő- és baktériumsejteket, és kimutatták, hogy közeli infravörös hullámhosszon működő lézer használatával a sejtek túlélik a csapdázást (Ashkin et al., 1987). Ez a fontos munka nyitotta meg igazán az utat a biológiai alkalmazások előtt. Ashkin példáját követve egyre több kutatócsoport épített lézercsipeszeket, és kezdte ezeket használni sejtek és biomolekulák tanulmányozására. Kiemelkedően fontos és érdekes eredmények születtek. Kiderült, hogy a lézercsipesz nemcsak csapdázásra, hanem rendkívül kis erők (pikonewton) mérésére is használható a sejtek és molekulák világában: egy csapdázott tárgy fókuszból való elmozdulása alapján meghatározhatók a rá ható erők. Ezzel a módszerrel mérték meg például a baktériumok úszása során működő molekuláris motorok erejét (Block et al., 1989). Tanulmányozták a vörösvértestek rugalmasságát, aminek köszönhetően a sejtek a saját méretüknél szűkebb hajszálereken is át tudnak jutni (Sleep et al., 1999).

A molekulák világában többek között sikerült megmérni egyes DNS-molekulák rugalmas tulajdonságait a molekulák megnyújtásával (Wang et al., 1997). Jól szemlélteti a lézercsipesz képességeit, hogy egyetlen DNS-molekulára csomót is tudtak kötni (Arai et al., 1999). Rendkívül fontos információkat tudtunk meg az izmok működésének molekuláris hátteréről. Kiderült például, hogy egyes izomfehérjék lépegetve mozognak az izom-összehúzódás során (Svoboda et al., 1993).

Magyarországon az 1990-es évek végén két intézetben kezdődtek kutatások optikai csipeszek használatával. Kellermayer Miklós vezetésével a Pécsi Tudományegyetem Biofizikai Intézetében, majd a Semmelweis Egyetem Biofizikai és Sugárbiológiai Intézetében izomfehérjék mechanikai tulajdonságait (Kellermayer et al., 1997), valamint a vírusok DNS-kibocsátását (Kellermayer et al., 2018) vizsgálták. A Szegedi Biológiai Kutatóközpont Biofizikai Intézetében Ormos Pál kutatócsoportja a mikrofabrikáció és az optikai csapdázás együttes alkalmazásával készített fénnyel hajtott mikromotorokat (Galajda–Ormos, 2001), illetve a DNS-molekula csavarási tulajdonságait is vizsgálták (Oroszi et al., 2006). A lézercsipeszt mára elterjedt kísérleti eszközként világszerte használják és fejlesztik a biofizikusok. A dinamikus hologramokat használó legújabb berendezések már egyetlen nyalábból számos csapdát állítanak elő, amelyek három dimenzióban precízen mozgathatók. Akit közelebbről is érdekelnek ezek a berendezések, azok működés közben megtekinthetnek és kipróbálhatnak egy lézercsipeszt Szegeden, a Szent-Györgyi Albert Agóra Látványlaboratóriumában (URL2).

Az optikai csipesz remek példája annak, hogy a lézer eszközként használható apró sejtek, sejtalkotók manipulálására. De milyen lehetőségeink vannak magának a lézerimpulzusnak az alakítására?

A lézertechnológia kezdeti fejlődésével elérhetővé vált, hogy a lézeroszcillátor (ami a kényszerített emisszióra képes anyagból és visszacsatoló tükrökből áll: ez az alapegység, ahol a lézerfény keletkezik) a fényt egyre rövidebb impulzusok sorozataként sugározza ki. Az impulzusüzemű működés lehetővé teszi, hogy az oszcillátor átmenetileg tárolja a keletkező fényt, majd azt egyetlen rövid, megnőtt energiájú felvillanás formájában bocsássa ki, ami megnövekedett csúcsteljesítményt biztosít. A lézerfény és az anyag kölcsönhatásának hevességét befolyásoló csúcsteljesítmény növeléséhez két út vezet: vagy a lézerimpulzusban felgyűlt energiát kell növelni, vagy az impulzus hosszát csökkenteni.

Nagyságrendileg nJ (10–9 J) energiájú impulzusok hosszát 1985-re nanoszekundumról (10–9 s) 100 femtoszekundumra (10–13 s) tudták csökkenteni. Az oszcillátor rövid impulzusait külső erősítőkben akár a mJ (10–3 J) energiára lehetett hizlalni, de itt hosszú ideig egy technológiai akadályba ütközött a fejlődés: a nagy intenzitású (idő- és területegységre jutó energiájú) lézernyaláb roncsolta az erősítőként használt lézeranyagot. Mivel a roncsolás mértéke első közelítésben a fény intenzitásától függ, a nyaláb térbeli kiterjesztésével (amihez egyre nagyobb felületű optikai elemekre volt szükség, ami jó minőségben igen költséges), illetve az impulzusok időbeli nyújtásával próbálták a problémát orvosolni. Ha viszont az impulzust megnyújtjuk azért, hogy energiáját növelhessük, az a csúcsteljesítmény/intenzitás szempontjából nem jelent haladást, hiszen a nagyobb energiát hosszabb idővel osztjuk.

Pontosan ez az a probléma, amelyre a 2018. évi fizikai Nobel-díjjal elismert Gérard Mourou és Donna Strickland egy ötletes megoldást javasoltak: a lézer­oszcillátor kis energiájú, rövid impulzusait először megnyújtották (néhány ezerszeresen), a hosszú impulzusokat erősítették (akár milliószorosan), majd az eredeti hosszúságra összenyomták, ezáltal a végső intenzitást képesek voltak öt-hat nagyságrenddel növelni, miközben az erősítés alacsony intenzitáson történik, és elkerülhető az optikai elemek roncsolódása (Strickland–Mourou, 1985). Az elvében egyszerű, de gyakorlati szempontból nagyszerű megoldás azóta forradalmasította az impulzusüzemű lézerek technológiáját.

A CPA-technológia (Chirped Pulse Amplification – csörpölt/fázismodulált impulzuserősítés), amelyet Mourou és Strickland 1985-ben mutattak be, a lézerimpulzus intenzitásának növelését három lépésben éri el:

A fejlődés eredményeként egyre rövidebb lézerimpulzusokba egyre több energiát vagyunk képesek koncentrálni. Az impulzusok fókuszálva már sokszorosan meghaladják a 1020 W/cm2 intenzitást, új kutatási területeket nyitva meg: ezen erős terekben az anyag különleges állapotai vizsgálhatók, új ismereteket szerezhetünk a sugárzásról, az erős tér és anyag kölcsönhatásáról, a kvantumelmélet vagy a relativisztikus hatások tekintetében.

A CPA-technika sikerességét mutatja, hogy a nagy intenzitású lézerimpulzusok előállítása egyetemi kutatócsoportok számára megfizethetővé vált, ezáltal a kutatási irányok, az alkalmazások száma robbanásszerűen nő. Néhány alkalmazási irányt az alábbiakban említünk:

Az extrém nagy fényintenzitás lehetővé teszi asztrofizikai jelenségek vagy magfúzió laboratóriumi körülmények között történő vizsgálatát. Az erős lézerteret kihasználva elektron- és iongyorsítók épülnek, és atomok optikai ionizáció­ja révén attoszekundumos impulzusokat hozhatunk létre (Farkas–Tóth, 1992) az elektron viselkedésének vizsgálatához (Calegari et al., 2016). A fényimpulzus rövidsége lehetővé teszi, hogy orvosi vagy ipari alkalmazások esetén az anyag vágása során minimális hőhatás terhelje a környezetet, ezzel csökkentve a környező szövetek vagy a megmunkálandó anyag roncsolódását. Ezen alkalmazások közül a Nobel-díj indoklásában a femtoszekundumos lézeres szemsebészetet emelték ki (Loesel et al., 1999).

Nem a 2018-as az első eset, hogy lézerekhez kapcsolódó kutatásért Nobel-díjat ítéltek: 1964-ben (Alekszandr M. Prohorov, Charles H. Townes és Nyikolaj G. Baszov), 1971-ben (Gábor Dénes), 1981-ben (Nicolaas Bloembergen és Arthur L. Schawlow), 1989-ben (Norman F. Ramsey), 1997-ben (Steven Chu, Claude Cohen-Tannoudji és William D. Phillips), 2001-ben (Eric A. Cornell, Wolfgang Ketterle és Carl E. Wieman), 2005-ben (John L. Hall és Theodor W. Hänsch) és 2009-ben (Charles K. Kao) fizikai, 1999-ben (Ahmed Zewail) kémiai Nobel-díjjal értékelték a tudományos eredményeket. Ez a sorozat a jövőben biztosan folytatódni fog.