Πώς τα φωτόνια θα αλλάξουν τη ζωή μας

Η λέξη λέιζερ (laser) μπήκε στο λεξιλόγιό μας κυρίως χάρη στις ταινίες επιστημονικής φαντασίας, όπως «Ο Πόλεμος των Αστρων».

Ωστόσο ο φανατικός των γηπέδων που στρέφει την ακτίνα του κινέζικου λεϊζερομπρελόκ του στον τερματοφύλακα της αντίπαλης ομάδας ιδέα δεν έχει για το πώς λειτουργεί και τι μπορεί να κάνει αυτή η ακτίνα. Οπως εξίσου αγνοεί ο μέσος τουρίστας ότι τα μνημεία και τα αγάλματα που έχουν αιχμαλωτιστεί στους κρυστάλλινους κύβους που αγοράζει ως σουβενίρ έχουν επίσης χαραχθεί με τέτοιες ακτίνες. Αλλά - ακόμη σοβαρότερα - και όσοι προστρέχουν στις υπηρεσίες γιατρών που υπόσχονται κοσμητικές ή και χειρουργικές επεμβάσεις με λέιζερ ουδόλως γνωρίζουν τα όρια των δυνατοτήτων αυτών των θαυματουργών ακτίνων. Και το πρόβλημα δεν είναι απλά ότι «τάζονται λαγοί με πετραχήλια» χωρίς πάντοτε το ανάλογο αποτέλεσμα, αλλά ότι μπορεί να προκληθεί κακό από την έλλειψη ακρίβειας τέτοιων συσκευών.
Για το πούμε συμπυκνωμένα, υποκύψαμε όλοι σε έναν μύθο ακρίβειας των ακτίνων λέιζερ, χωρίς να γνωρίζουμε ότι η χρήση τους σε ευαίσθητα υλικά - και ειδικά σε ζωντανά κύτταρα - είχε ως τώρα σοβαρά μειονεκτήματα. Μειονεκτήματα που ευτυχώς από εφέτος μπορούν να εξαλειφθούν, χάρη σε μια γερμανική εφεύρεση.

Από τον Αϊνστάιν ως το χειρουργείο
Κάποτε είχαμε καραβάκια στο μπουκάλι. Τώρα, ο ήλιος ολόκληρος αιχμαλωτίζεται σε γυάλινους κύβους, μέσω των λέιζερ

Ο πρώτος που ξεκίνησε τη «λεϊζερομανία μας» είναι ο Αϊνστάιν, ο οποίος χρησιμοποίησε το 1905 την κβαντοποίηση της ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας (που είχε εισαγάγει ο Πλανκ πέντε χρόνια νωρίτερα) προκειμένου να εξηγήσει το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο. Χρειάστηκε ωστόσο η μοντελοποίηση του ατόμου από τον Μπορ (Bohr), το 1913, με σταθερά επίπεδα ενέργειας για τα ηλεκτρόνια σε τροχιά, για να φθάσει το 1917 ο Αϊνστάιν στο συμπέρασμα ότι υπήρχε μια αλληλεπίδραση μεταξύ φωτός και μάζας, που τη βάφτισε «διεγερμένη εκπομπή». Αυτή η διεγερμένη εκπομπή μπορούσε να ενισχύσει το φως.

Η πρώτη διάταξη εκπομπής ακτίνας λέιζερ στήθηκε από τον αμερικανό φυσικό Θίοντορ Mάιμαν, το 1960. Οι απορημένοι φυσικοί που πρωτοείδαν αυτή την ακτίνα να βγαίνει από έναν κρύσταλλο ρουμπινίου αποφάνθηκαν ότι ήταν «μια λύση που έψαχνε να βρει το πρόβλημά της»! Ωστόσο, όπως η ιστορία της βιομηχανίας κατέδειξε, τα προβλήματα στα οποία έδωσε λύση η εν λόγω ακτίνα ήταν έκτοτε πάμπολλα, από την κοπή μετάλλων ως τις τηλεπικοινωνίες, τα οπλικά συστήματα και την ιατρική τεχνολογία.

Από πλευράς ορισμού, η λέξη laser συντίθεται από τα αρκτικόλεξα των λέξεων «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation» (Ενίσχυση Φωτός μέσω Διεγερμένης Εκπομπής Ακτινοβολίας). Στην πράξη, είναι μια γεννήτρια φωτός και ενισχυτής φωτός, που δημιουργεί συνεκτική μονοχρωματική ριπή φωτονίων (δηλαδή, τα φωτόνια της ακτίνας που εκπέμπει είναι ενός και μόνο μήκους κύματος, ή συχνότητας).

Η εφαρμογή ακτίνων λέιζερ σε «μικρογλυπτική ακριβείας» ξεκίνησε το 1986, όταν στη θέση του κρυστάλλου ρουμπινιού τοποθετήθηκε ένα τιτανωμένο ζαφείρι (οξείδιο του αλουμινίου μπολιασμένο με τιτάνιο). Τότε έγινε εφικτή η παραγωγή υπερταχέων παλμών, που έδωσαν ακτίνες υψηλής εστίασης και μεγάλης ισχύος. Τα πλεονεκτήματα αυτής της νέας γενιάς λέιζερ έγιναν αμέσως αντιληπτά από τη βιομηχανία, αλλά και έδωσαν την ιδέα αξιοποίησής τους για ιατρικούς σκοπούς: Με όλο και πυκνότερες ριπές φωτονίων, που θα είχαν διάρκεια παλμών όλο και μικρότερη, ο στόχος της ακτίνας θα θερμαινόταν όλο και λιγότερο. Αρα, θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί και στους ανθρώπινους ιστούς!

Η καινοτομία του Fraunhofer
Ο μύθος που γεννήθηκε για την ακρίβεια των ιατρικών λέιζερ δεν είναι διόλου αδικαιολόγητος. Υπήρχε όμως ένα κρυφό ισοζύγιο: όσο περισσότερη ακρίβεια ζητούσες, τόσο λιγότερη ισχύ μπορούσες να απαιτήσεις από την ακτίνα.

Για να λυθεί αυτό το δύσκολο πρόβλημα προσπάθησαν πολλοί στον πλανήτη, αλλά τελικά το κατάφεραν οι ερευνητές του Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT στο Ααχεν της Γερμανίας, συνεργαζόμενοι με το Πανεπιστήμιο RWTH Aachen, το Ινστιτούτο Κβαντικής Οπτικής Max Planck του Μονάχου και τρεις εταιρείες (Jenoptik AG, EdgeWave και Amphos). Τους πήρε τρία χρόνια - μεταξύ 2008 και 2011 - αλλά τελικά κατόρθωσαν να παρουσιάσουν τη συσκευή Edgewave Innoslab, η οποία ανεβάζει την ισχύ εξόδου ως τα 600 Watt, με συχνότητα παλμών ως 100 KHz. Οι ακτίνες λέιζερ που παράγει αυτή η συσκευή μπορούν να έχουν κυκλικό ίχνος, τετράγωνο, αλλά και γραμμικό. Εκτός από το ιατρικό πεδίο, οι εφαρμογές τους επεκτείνονται και σε πληθώρα άλλων: Στην αυτοκινητοβιομηχανία για την κατεργασία των ταμπλό στη βιομηχανία ηλεκτρονικών για τη διάτρηση τυπωμένων κυκλωμάτων, στη βιομηχανία φωτοβολταϊκών για τη χάραξη και κοπή των κυψελών, στην υαλουργία για τη μικρογλυπτική στο εσωτερικό των επιφανειών, στην πρωτοτυποποίηση και την κατεργασία εργαλείων για εργαλειομηχανές, αλλά και στα επιστημονικά εργαστήρια για την καταγραφή της ταχύτητας στοιχειωδών σωματιδίων. Για το επίτευγμά τους, στην ερευνητική ομάδα του Fraunhofer απονεμήθηκε εφέτος το κρατικό βραβείο επιστημονικής αριστείας Stifterverband.

Οι προοπτικές
Η εξάπλωση των λέιζερ υπερβραχέων παλμών αναμφίβολα θα ανεβάσει τον τεχνολογικό πολιτισμό μας σε επίπεδα ποιότητας πρωτόγνωρα. Παράλληλα, θα επιτρέψει επιτέλους τον πλήρη έλεγχο ακρίβειας και απόδοσης στις χειρουργικές και κοσμητικές επεμβάσεις. Ωστόσο η πρόοδος στον έλεγχο των ριπών φωτονίων δεν μπορεί παρά να σηματοδοτήσει και την έναρξη μιας νέας «εποχής εξηλεκτρισμού»: Σταδιακά το τωρινό ηλεκτρικό ρεύμα που κινητοποιεί τον πολιτισμό μας θα δίνει τη θέση του σε ρεύματα φωτονίων. Η αρχή έχει ήδη γίνει στις τηλεπικοινωνίες και θα ακολουθήσουν σύντομα οι υπολογιστές. Επομένως, η γνώση της Φωτονικής καθίσταται κρίσιμη για το μέλλον των χωρών στον νέο αιώνα. Η δική μας χώρα έχει το τεράστιο πλεονέκτημα να διαθέτει ερευνητές-κολοσσούς στο διεθνές στερέωμα της Φωτονικής - καθηγητές που μοιράζονται τον χρόνο τους διδάσκοντας σε ξένα και ελληνικά πανεπιστήμια. Οπως οι συγκεκριμένοι απόφοιτοι των πανεπιστημιακών σχολών μας αντιμετωπίζουν «κλειστό ορίζοντα» στην εδώ απορρόφησή τους και οδηγούνται στη μετανάστευση. Αν θέλουμε να «προλάβουμε το κακό», θα πρέπει στη συνταγή της όποιας ανάπτυξης να εντάξουμε την προτεραιότητα αξιοποίησης αυτού του πολύτιμου δυναμικού. Διαφορετικά, θα συνεχίσουμε να εξαλείφουμε με λέιζερ τις ρυτίδες μας, όταν θα έχουμε κάνει στάχτη τις ελπίδες μας...

ΥΓ.: Για την επιστημονική εξήγηση των λέιζερ υπερβραχέων παλμών,γενικά, διαβάστε το www.ull.rdg.ac.uk/documents/ULL_Antoncini.pdf/. Ειδικά για το Innoslab, διαβάστε στο www.edge-wave.de/web/en/technologie/innoslab-verstarker/. 

 tovima