V pomembni objavi zvečer 3. oktobra 2023 je bila razkrita Nobelova nagrada za fiziko za leto 2023, ki je priznala izjemne prispevke treh znanstvenikov, ki so imeli ključno vlogo kot pionirji na področju tehnologije atosekundnega laserja.

Izraz "atosekundni laser" izvira iz imena iz neverjetno kratkega časovnega okvira, na katerem deluje, natančneje v vrstnem redu atosekund, kar ustreza 10^-18 sekundam. Da bi razumeli globok pomen te tehnologije, je bistvenega pomena temeljno razumevanje tega, kaj pomeni atosekunda. Atosekunda je zelo majhna časovna enota, ki v širšem kontekstu ene same sekunde predstavlja milijardo milijarde sekunde. Če to postavimo v perspektivo, če bi primerjali sekundo z visoko goro, bi bila atosekunda podobna enemu zrnu peska, ugnezdenemu ob vznožju gore. V tem minljivem časovnem intervalu lahko tudi svetloba komaj prepotuje razdaljo, ki je enaka velikosti posameznega atoma. Z uporabo atosekundnih laserjev znanstveniki pridobijo izjemno zmožnost, da natančno preučijo in manipulirajo z zapleteno dinamiko elektronov znotraj atomskih struktur, kar je podobno počasnemu predvajanju slike za sličico v kinematografski sekvenci, s čimer se poglobijo v njihovo medsebojno igro.

Attosekundni laserjipredstavljajo vrhunec obsežnih raziskav in usklajenih prizadevanj znanstvenikov, ki so izkoristili principe nelinearne optike za izdelavo ultrahitrih laserjev. Njihov pojav nam je ponudil inovativno izhodišče za opazovanje in raziskovanje dinamičnih procesov, ki potekajo 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 »družine laserjev«. Razvrstitev po valovni dolžini uvršča atosekundne laserje pretežno v območje ultravijoličnih do mehkih rentgenskih frekvenc, kar pomeni, da imajo izrazito krajše valovne dolžine v nasprotju z običajnimi laserji. Kar zadeva izhodne načine, atosekundni laserji spadajo v kategorijo impulznih laserjev, za katere je značilno izjemno kratko trajanje impulza. Če potegnemo analogijo zaradi jasnosti, si lahko laserje z neprekinjenim valovanjem predstavljamo kot podobne svetilki, ki oddaja neprekinjen žarek svetlobe, medtem ko so pulzni laserji podobni stroboskopski svetlobi, ki hitro menjava obdobja osvetlitve in teme. V bistvu atosekundni laserji kažejo pulzirajoče obnašanje v osvetlitvi in ​​temi, vendar se njihov prehod med obema stanjema pojavi z osupljivo frekvenco in doseže področje atosekund.

Nadaljnja kategorizacija po moči uvršča laserje v razrede z nizko močjo, srednjo močjo in visoko močjo. Attosekundni laserji dosegajo visoko konično moč zaradi izjemno kratkega trajanja impulza, kar ima za posledico izrazito konično moč (P) – definirano kot intenzivnost energije na časovno enoto (P=W/t). Čeprav posamezni atosekundni laserski impulzi morda nimajo izjemno velike energije (W), jim njihov skrajšani časovni obseg (t) daje povišano konično moč.

Kar zadeva domene uporabe, laserji obsegajo širok spekter, ki zajema industrijsko, medicinsko in znanstveno uporabo. Attosekundni laserji najdejo svojo nišo predvsem na področju znanstvenih raziskav, zlasti pri raziskovanju hitro razvijajočih se pojavov na področjih fizike in kemije, ki ponujajo okno v hitre dinamične procese mikrokozmičnega sveta.

Kategorizacija glede na laserski medij deli laserje na plinske laserje, polprevodniške laserje, tekoče laserje in polprevodniške laserje. Generiranje atosekundnih laserjev je običajno odvisno od plinskih laserskih medijev, ki izkoriščajo nelinearne optične učinke za ustvarjanje harmonikov visokega reda.

Če povzamemo, atosekundni laserji predstavljajo edinstven razred laserjev s kratkimi impulzi, ki se odlikujejo po izjemno kratkem trajanju impulza, ki se običajno meri v atosekundah. Posledično so postali nepogrešljivo orodje za opazovanje in nadzor ultrahitrih dinamičnih procesov elektronov znotraj atomov, molekul in trdnih materialov.

Dodelan proces attosekundnega laserskega ustvarjanja

Attosecond laserska tehnologija je v ospredju znanstvenih inovacij in se ponaša z zanimivo strogimi pogoji za svojo generacijo. Da bi razjasnili zapletenost atosekundnega laserskega ustvarjanja, začnemo z jedrnato razlago njegovih temeljnih principov, ki jim sledijo žive metafore, ki izhajajo iz vsakdanjih izkušenj. Bralcem, ki niso seznanjeni z zapletenostjo zadevne fizike, ni treba obupati, saj je cilj metafor, ki sledijo, omogočiti dostop do temeljne fizike atosekundnih laserjev.

Generacijski proces atosekundnih laserjev se v prvi vrsti opira na tehniko, imenovano High Harmonic Generation (HHG). Prvič, žarek visoko intenzivnih femtosekundnih (10^-15 sekund) laserskih impulzov je tesno osredotočen na plinasti ciljni material. Treba je omeniti, da imajo femtosekundni laserji, podobni atosekundnim laserjem, skupne značilnosti kratkega trajanja impulza in visoke konične moči. Pod vplivom intenzivnega laserskega polja se elektroni znotraj atomov plina za trenutek osvobodijo svojih atomskih jeder in začasno preidejo v stanje prostih elektronov. Ko ti elektroni nihajo kot odziv na lasersko polje, se sčasoma vrnejo v matična atomska jedra in se z njimi rekombinirajo ter ustvarijo nova visokoenergijska stanja.

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

Frekvence teh na novo ustvarjenih visokoenergijskih fotonov so celoštevilčni večkratniki prvotne laserske frekvence in tvorijo tako imenovane harmonike visokega reda, kjer "harmoniki" označujejo frekvence, ki so integralni večkratniki prvotne frekvence. Da bi dosegli attosekundne laserje, je treba te harmonike visokega reda filtrirati in osredotočiti, izbrati specifične harmonike in jih koncentrirati v žariščno točko. Po želji lahko tehnike kompresije impulza dodatno skrajšajo trajanje impulza, kar daje ultra kratke impulze v območju atosekund. Očitno je ustvarjanje atosekundnih laserjev prefinjen in večplasten proces, ki zahteva visoko stopnjo tehnične sposobnosti in specializirane opreme.

Za demistificiranje tega zapletenega procesa ponujamo metaforično vzporednico, ki temelji na vsakdanjih scenarijih:

Visokointenzivni femtosekundni laserski impulzi:

Predstavljajte si izjemno zmogljiv katapult, ki lahko v trenutku vrže kamne z ogromno hitrostjo, podobno vlogi, ki jo imajo visokointenzivni femtosekundni laserski impulzi.

Plinasti ciljni material:

Predstavljajte si mirno vodno telo, ki simbolizira plinasti ciljni material, kjer vsaka kapljica vode predstavlja nešteto atomov plina. Dejanje potiskanja kamnov v to vodno telo analogno odraža vpliv visoko intenzivnih femtosekundnih laserskih impulzov na plinasti ciljni material.

Gibanje in rekombinacija elektronov (fizikalno imenovan prehod):

Ko femtosekundni laserski impulzi zadenejo atome plina v plinastem tarčnem materialu, se znatno število zunanjih elektronov za trenutek vzbudi v stanje, ko se ločijo od svojih atomskih jeder in tvorijo stanje, podobno plazmi. Ko se energija sistema nato zmanjša (ker so laserski impulzi sami po sebi pulzirajoči in imajo intervale prenehanja), se ti zunanji elektroni vrnejo v svojo bližino atomskih jeder in sproščajo visokoenergijske fotone.

Visoka harmonična generacija:

Predstavljajte si, da vsakič, ko kapljica vode pade nazaj na gladino jezera, ustvari valovanje, podobno kot visoki harmoniki v atosekundnih laserjih. To valovanje ima višje frekvence in amplitude kot izvirno valovanje, ki ga povzroča primarni femtosekundni laserski impulz. Med postopkom HHG močan laserski žarek, podoben neprekinjenemu metanju kamnov, osvetli plinsko tarčo, ki spominja na gladino jezera. To intenzivno lasersko polje poganja elektrone v plinu, podobno valovanju, 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 ostrenje:

Združevanje vseh teh na novo ustvarjenih laserskih žarkov daje spekter različnih barv (frekvenc ali valovnih dolžin), od katerih nekatere sestavljajo atosekundni laser. Če želite izolirati določene velikosti in frekvence valovanja, lahko uporabite poseben filter, podoben izbiri želenih valov, in uporabite povečevalno steklo, da jih usmerite na določeno območje.

Stiskanje impulza (če je potrebno):

Če želite pospešiti širjenje valov hitreje in krajše, lahko pospešite njihovo širjenje s posebno napravo, s čimer skrajšate čas trajanja posameznega valovanja. Generiranje atosekundnih laserjev vključuje zapleteno prepletanje procesov. Ko pa je razčlenjen in vizualiziran, postane bolj razumljiv.