Zvečer 3. oktobra 2023 je bila v pomembni objavi razkrita Nobelova nagrada za fiziko za leto 2023, ki je priznala izjemne prispevke treh znanstvenikov, ki so igrali ključno vlogo kot pionirji na področju atosekundne laserske tehnologije.

Izraz "atosekundni laser" izhaja iz neverjetno kratkega časovnega obdobja, v katerem deluje, natančneje v vrstnem redu atosekund, kar ustreza 10^-18 sekundam. Da bi dojeli globok pomen te tehnologije, je ključnega pomena temeljno razumevanje, kaj atosekunda pomeni. Atosekunda predstavlja izjemno kratko časovno enoto, ki predstavlja eno milijardo milijarde sekunde v širšem kontekstu ene same sekunde. Če bi sekundo primerjali z visoko goro, bi bila atosekunda podobna enemu samemu zrnu peska, skritemu ob vznožju gore. V tem minljivem časovnem intervalu lahko celo svetloba komaj prepotuje razdaljo, ki je enakovredna velikosti posameznega atoma. Z uporabo atosekundnih laserjev znanstveniki pridobijo izjemno sposobnost preučevanja in manipuliranja zapletene dinamike elektronov znotraj atomskih struktur, podobno kot počasno predvajanje posnetka v kinematografskem zaporedju, s čimer se poglobijo v njihovo medsebojno delovanje.

Atosekundni laserjipredstavljajo vrhunec obsežnih raziskav in usklajenih prizadevanj znanstvenikov, ki so izkoristili načela nelinearne optike za izdelavo ultrahitrih laserjev. Njihov pojav nam je omogočil inovativno izhodišče za opazovanje in raziskovanje dinamičnih procesov, ki se dogajajo znotraj atomov, molekul in celo elektronov v trdnih snoveh.

Da bi razjasnili naravo atosekundnih laserjev in cenili njihove nekonvencionalne lastnosti v primerjavi s konvencionalnimi laserji, je nujno raziskati njihovo kategorizacijo znotraj širše "družine laserjev". Klasifikacija po valovni dolžini uvršča atosekundne laserje pretežno v območje ultravijoličnih do mehkih rentgenskih frekvenc, kar pomeni njihove bistveno krajše valovne dolžine v primerjavi s konvencionalnimi laserji. Glede izhodnih načinov spadajo atosekundni laserji v kategorijo pulznih laserjev, za katere je značilno izjemno kratko trajanje pulzov. Za jasnost si lahko laserje z neprekinjenim valovanjem predstavljamo kot svetilko, ki oddaja neprekinjen svetlobni snop, medtem ko pulzni laserji spominjajo na stroboskopsko luč, ki se hitro izmenjuje med obdobji osvetlitve in teme. V bistvu atosekundni laserji kažejo pulzirajoče obnašanje znotraj osvetlitve in teme, vendar njihov prehod med obema stanjema poteka z osupljivo frekvenco in doseže področje atosekund.

Nadaljnja razvrstitev glede na moč uvršča laserje v razrede nizke, srednje in visoke moči. Atosekundni laserji dosegajo visoko vršno moč zaradi izjemno kratkega trajanja impulzov, kar ima za posledico izrazito vršno moč (P) – opredeljeno kot intenzivnost energije na enoto časa (P=W/t). Čeprav posamezni atosekundni laserski impulzi morda nimajo izjemno velike energije (W), jim njihov skrajšani časovni obseg (t) daje povečano vršno moč.

Kar zadeva področja uporabe, laserji segajo v spekter, ki zajema industrijske, medicinske in znanstvene aplikacije. Atosekundni laserji najdejo svojo nišo predvsem na področju znanstvenih raziskav, zlasti pri raziskovanju hitro razvijajočih se pojavov na področju fizike in kemije, saj ponujajo vpogled v hitre dinamične procese mikrokozmičnega sveta.

Kategorizacija glede na laserski medij razdeli laserje na plinske laserje, trdne laserje, tekoče laserje in polprevodniške laserje. Generiranje atosekundnih laserjev običajno temelji na plinskih laserskih medijih, ki izkoriščajo nelinearne optične učinke za ustvarjanje višjih harmonikov.

Skratka, atosekundni laserji predstavljajo edinstven razred kratkopulznih laserjev, ki jih odlikuje izjemno kratko trajanje impulzov, običajno merjeno v atosekundah. Posledično so postali nepogrešljivo orodje za opazovanje in nadzor ultrahitrih dinamičnih procesov elektronov v atomih, molekulah in trdnih materialih.

Zapleten postopek generiranja atosekundnega laserja

Tehnologija atosekundnih laserjev je v ospredju znanstvenih inovacij in se ponaša z zanimivo strogimi pogoji za njeno generacijo. Da bi razjasnili zapletenosti generacije atosekundnih laserjev, začnemo s kratko razlago njenih osnovnih načel, ki ji sledijo žive metafore, izpeljane iz vsakdanjih izkušenj. Bralci, ki niso seznanjeni z zapletenostmi ustrezne fizike, ne smejo obupati, saj si naslednje metafore prizadevajo, da bi temeljno fiziko atosekundnih laserjev približali ljudem.

Proces generiranja atosekundnih laserjev temelji predvsem na tehniki, znani kot generacija visokih harmonikov (HHG). Najprej se žarek visokointenzivnih femtosekundnih (10^-15 sekund) laserskih impulzov tesno usmeri na plinasti ciljni material. Omeniti velja, da imajo femtosekundni laserji, podobni atosekundnim laserjem, skupne značilnosti kratkega trajanja impulzov in visoke vršne moči. Pod vplivom intenzivnega laserskega polja se elektroni v atomih plina za trenutek sprostijo iz svojih atomskih jeder in prehodno vstopijo v stanje prostih elektronov. Ko ti elektroni nihajo kot odziv na lasersko polje, se sčasoma vrnejo v svoja matična atomska jedra in se z njimi ponovno združijo, kar ustvari nova visokoenergijska stanja.

Med tem procesom se elektroni gibljejo z izjemno visokimi hitrostmi in ob rekombinaciji z atomskimi jedri sprostijo dodatno energijo v obliki visokoharmoničnih emisij, ki se kažejo kot visokoenergijski fotoni.

Frekvence teh novo ustvarjenih visokoenergijskih fotonov so celoštevilski večkratniki prvotne laserske frekvence in tvorijo tako imenovane harmonike višjega reda, kjer "harmoniki" označujejo frekvence, ki so celoštevilski večkratniki prvotne frekvence. Za dosego atosekundnih laserjev je treba te harmonike višjega reda filtrirati in fokusirati, izbrati specifične harmonike in jih koncentrirati v goriščno točko. Po želji lahko tehnike kompresije impulzov dodatno skrajšajo trajanje impulza, kar povzroči ultra kratke impulze v atosekundnem območju. Očitno je generiranje atosekundnih laserjev sofisticiran in večplasten proces, ki zahteva visoko stopnjo tehnične spretnosti in specializirano opremo.

Da bi demistificirali ta zapleten proces, ponujamo metaforično vzporednico, ki temelji na vsakdanjih scenarijih:

Visokointenzivni femtosekundni laserski impulzi:

Predstavljajte si izjemno močan katapult, ki bi lahko v trenutku metal kamenje s kolosalnimi hitrostmi, podobno vlogi, ki jo igrajo visokointenzivni femtosekundni laserski impulzi.

Plinasti ciljni material:

Predstavljajte si mirno vodno telo, ki simbolizira plinasto ciljno snov, kjer vsaka kapljica vode predstavlja nešteto atomov plina. Dejanje metanja kamenja v to vodno telo analogno odraža vpliv visokointenzivnih femtosekundnih laserskih impulzov na plinasto ciljno snov.

Gibanje in rekombinacija elektronov (fizikalno imenovan prehod):

Ko femtosekundni laserski impulzi zadenejo atome plina v plinastem ciljnem materialu, se znatno število zunanjih elektronov za trenutek vzbudi v stanje, kjer se ločijo od svojih atomskih jeder in tvorijo stanje, podobno plazmi. Ko se energija sistema posledično zmanjša (ker so laserski impulzi že po naravi pulzirajoči in imajo intervale prekinitve), se ti zunanji elektroni vrnejo v bližino atomskih jeder in sprostijo visokoenergijske fotone.

Generiranje visokih harmonikov:

Predstavljajte si, da vsakič, ko kapljica vode pade nazaj na površino jezera, ustvari valove, podobno visokim harmonikom v atosekundnih laserjih. Ti valovi imajo višje frekvence in amplitude kot prvotni valovi, ki jih povzroča primarni femtosekundni laserski impulz. Med procesom HHG močan laserski žarek, podoben neprekinjeno metanju kamenja, osvetljuje plinsko tarčo, ki spominja na površino jezera. To intenzivno lasersko polje poganja elektrone v plinu, podobno kot valovi, stran od njihovih matičnih atomov in jih nato potegne nazaj. Vsakič, ko se elektron vrne k atomu, odda nov laserski žarek z višjo frekvenco, podobno bolj zapletenim vzorcem valovanja.

Filtriranje in fokusiranje:

Združevanje vseh teh novo ustvarjenih laserskih žarkov daje spekter različnih barv (frekvenc ali valovnih dolžin), od katerih nekatere sestavljajo atosekundni laser. Za izolacijo določenih velikosti in frekvenc valovanja lahko uporabite specializiran filter, podoben izbiri želenih valov, in jih s povečevalnim steklom osredotočite na določeno območje.

Stiskanje impulzov (če je potrebno):

Če želite, da bi valovi širili hitreje in bili krajši, lahko njihovo širjenje pospešite s specializirano napravo, s čimer skrajšate čas trajanja vsakega valovanja. Generiranje atosekundnih laserjev vključuje kompleksno prepletanje procesov. Ko pa jih razčlenimo in vizualiziramo, postane bolj razumljivo.