V pomembni napovedi 3. oktobra 2023 je bila razkrita Nobelova nagrada za fiziko za leto 2023, ki je prepoznala izjemne prispevke treh znanstvenikov, ki so igrali ključne vloge kot pionirji na področju Attosecond Laser Technology.

Izraz "AttoseCond Laser" svoje ime izhaja iz neverjetno kratkega časovnega razpona, na katerem deluje, zlasti v vrstnem redu atosekund, ki ustreza 10^-18 sekundah. Za dojemanje globokega pomena te tehnologije je temeljno razumevanje tega, kar pomeni atosekunda, najpomembnejše. Atosekund stoji kot izjemno minutna enota časa, ki predstavlja milijardo milijarde sekunde v širšem kontekstu ene same sekunde. Če bi to postavili v perspektivo, če bi sekundo primerjali na stolpnico, bi bila Attosekunda podobna enemu zrnu peska, ki se nahaja v bazi gore. V tem minljivem časovnem intervalu lahko celo svetloba komaj prečka razdaljo, ki je enakovredna velikosti posameznega atoma. Z uporabo atosekundnih laserjev znanstveniki pridobijo brez primere sposobnosti za pregled in manipuliranje z zapleteno dinamiko elektronov znotraj atomskih struktur, podobno ponovitvi počasnega gibanja okvirja v kinematografskem zaporedju in se s tem vključijo v njihovo medsebojno delovanje.

Atosekundni laserjiPredstavljajo vrhunec obsežnih raziskav in usklajenih prizadevanj znanstvenikov, ki so izkoristili načela nelinearne optike za oblikovanje ultra hitrih laserjev. Njihov advent nas je opremil z inovativno razgledno točko za opazovanje in raziskovanje dinamičnih procesov, ki segajo znotraj atomov, molekul in celo elektronov v trdnih materialih.

Da bi razjasnili naravo atosekundnih laserjev in cenili njihove nekonvencionalne lastnosti v primerjavi z običajnimi laserji, je nujno raziskati njihovo kategorizacijo znotraj širše "laserske družine". Klasifikacija po valovni dolžini postavlja atosekundne laserje, ki so večinoma v območju ultravijoličnih do mehkih rentgenskih frekvenc, kar pomeni njihove bistvene krajše valovne dolžine v nasprotju z običajnimi laserji. Kar zadeva izhodne načine, atosekundni laserji spadajo pod kategorijo impulznih laserjev, za katere so značilne njihove izjemno kratke trajanje pulza. Če želite narisati analogijo za jasnost, si lahko zamislimo laserje z neprekinjenimi valovi, podobnimi svetilkam, ki oddaja neprekinjeni žarek svetlobe, medtem ko impulzni laserji spominjajo na strobo svetlobo, ki se hitro izmenjuje med obdobji osvetlitve in teme. V bistvu atosekundni laserji kažejo pulzirajoče vedenje znotraj osvetlitve in teme, vendar se njihov prehod med obema državama zgodi z osupljivo frekvenco, ki doseže kraljestvo atosekund.

Nadaljnja kategorizacija z močjo postavlja laserje v nosilce z nizko močjo, srednjo močjo in veliko močjo. Atosekundni laserji dosegajo visoko največjo moč zaradi izjemno kratkih trajanje impulza, kar ima za posledico izrazito največjo moč (P) - opredeljeno kot intenzivnost energije na enoto (p = m/t). Čeprav posamezni atosekund laserski impulzi morda nimajo izjemno velike energije (w), jih njihova skrajšana časovna obseg (t) daje s povišano največjo močjo.

Glede na področja uporabe laserji obsegajo spekter, ki vključuje industrijske, medicinske in znanstvene aplikacije. Atosekundni laserji v glavnem najdejo svojo nišo v okviru znanstvenih raziskav, zlasti pri raziskovanju hitro razvijajočih se pojavov znotraj področja fizike in kemije, ki ponujajo okno v hitre dinamične procese mikrokozmičnega sveta.

Kategorizacija z laserskim medijem razmejuje laserje kot plinski laserji, trdni laserji, tekoči laserji in polprevodniški laserji. Generacija atosekundnih laserjev običajno temelji na plinskih laserskih medijih, kar izkorišča nelinearne optične učinke, da bi ustvarili harmonike visokega reda.

Če povzamemo, Atosekundni laserji predstavljajo edinstven razred laserjev s kratkimi impulzi, ki ga odlikuje njihova izjemno kratka trajanje impulza, ki se običajno meri v atosekundah. Kot rezultat, so postala nepogrešljiva orodja za opazovanje in nadzor nad ultra hitrimi dinamičnimi procesi elektronov znotraj atomov, molekul in trdnih materialov.

Izpopolnjen postopek atosekundne laserske generacije

Attosecond Laser Technology stoji v ospredju znanstvenih inovacij in se ponaša z intrigantno strogim naborom pogojev za svojo generacijo. Da bi razjasnili zapletenosti atosekundne laserske generacije, začnemo z jedrnato razlago njegovih osnovnih načel, ki jim sledijo žive metafore, ki izhajajo iz vsakodnevnih izkušenj. Bralci, ki niso bili v zapletenosti ustrezne fizike, ni treba obupati, saj cilj, ki izhajajo, da bi omogočili dostop do temeljne fizike atosekundnih laserjev.

Proces generacije atosekundnih laserjev se opira predvsem na tehniko, znano kot visoka harmonična generacija (HHG). Prvič, žarek visokointenzivne femtosekunde (10^-15 sekund) laserskih impulzov je tesno usmerjen na plinasti ciljni material. Omeniti velja, da so femtosekundni laserji, podobni atosekundnim laserjem, delijo značilnosti, ki imajo kratko trajanje impulza in visoko največjo moč. Pod vplivom intenzivnega laserskega polja se elektroni znotraj atomov plinov v trenutku osvobodijo svojih atomskih jeder, ki prehodno vstopajo v stanje prostih elektronov. Ker ti elektroni nihajo kot odgovor na lasersko polje, se sčasoma vrnejo in se rekombinirajo s svojimi matičnimi atomskimi jedri, kar ustvarja nova visokoenergijska stanja.

Med tem postopkom se elektroni gibljejo z izjemno visokimi hitrostmi in po rekombinaciji z atomskimi jedri sproščajo dodatno energijo v obliki visokih harmoničnih emisij, ki se kažejo kot visokoenergijski fotoni.

Pogostosti teh na novo ustvarjenih visokoenergijskih fotonov so celo število večkratnikov prvotne laserske frekvence, ki tvorijo tisto, kar se imenuje harmonike visokega reda, kjer "harmonike" označujejo frekvence, ki so integralne večkratnike prvotne frekvence. Za dosego atosekundnih laserjev je treba filtrirati in osredotočiti te harmonike visokega reda, izbirati specifične harmonike in jih koncentrirati v osrednjo točko. Po želji lahko tehnike stiskanja impulza še dodatno skrajšajo trajanje impulza, kar daje ultra kratke impulze v območju AttoseCond. Očitno je generacija atosekundnih laserjev prefinjen in večplastni postopek, ki zahteva visoko stopnjo tehnične sposobnosti in specializirane opreme.

Da demistificiramo ta zapleteni postopek, ponujamo metaforično vzporednico, ki temelji na vsakodnevnih scenarijih:

Visoko intenzivnost femtosekundnih laserskih impulzov:

Envision ima izjemno močan katapult, ki je sposoben takoj vrteti kamne s kolosalnimi hitrostmi, podobno vlogi, ki jo igrajo visokointenzivne femtosekundne laserske impulze.

Plinasti ciljni material:

Predstavljajte mirno telo vode, ki simbolizira plinasti ciljni material, kjer vsaka kapljica vode predstavlja nešteto atomov plina. Dejanje poganjanja kamnov v to vodno telo analogno zrcali vpliv visokointenzivnih femtosekundnih laserskih impulzov na plinasti ciljni material.

Gibanje in rekombinacija elektronov (fizično imenovan prehod):

Ko femtosekundni laserski impulzi vplivajo na atome plina znotraj plinastega ciljnega materiala, se veliko zunanjih elektronov na trenutke vzbuja v stanje, kjer se odlepijo od ustreznih atomskih jeder, kar tvorijo plazemsko podobno stanje. Ko se energija sistema naknadno zmanjša (ker so laserski impulzi sami po sebi utripajo z intervali prenehanja), se ti zunanji elektroni vračajo v bližino atomskih jeder in sproščajo visokoenergijske fotone.

Visoka harmonska generacija:

Predstavljajte si, da vsakič, ko vodna kapljica pade nazaj na površino jezera, ustvarja valovanja, podobno kot visoke harmonike v atosekundnih laserjih. Ti valovi imajo višje frekvence in amplitude kot prvotne valovanja, ki jih povzroča primarni femtosekundni laserski impulz. Med postopkom HHG močan laserski žarek, podoben neprekinjenemu metanju kamnov, osvetli plinsko tarčo, ki spominja na površino jezera. To intenzivno lasersko polje poganja elektrone v plin, analogni valom, stran od matičnih atomov in jih nato potegne nazaj. Vsakič, ko se elektron vrne v atom, oddaja nov laserski žarek z višjo frekvenco, podobno bolj zapletenim vzorcem valovanja.

Filtriranje in ostrenje:

Združevanje vseh teh na novo ustvarjenih laserskih žarkov daje spekter različnih barv (frekvence ali valovne dolžine), od katerih nekatere predstavljajo atosekundni laser. Če želite izolirati posebne velikosti in frekvence valovanja, lahko uporabite specializiran filter, podobno izbiri želenih valovanja in uporabite povečevalno steklo, da jih usmerite na določeno območje.

Stiskanje impulza (če je potrebno):

Če želite hitreje in krajše širiti valovanja, lahko pospešite njihovo širjenje s pomočjo specializirane naprave in tako zmanjšate čas, ki traja vsako valovanje. Generacija atosekundnih laserjev vključuje zapleteno prepletanje procesov. Ko pa je razčlenjeno in vizualizirano, postane bolj razumljivo.