W doniosłym ogłoszeniu wieczorem 3 października 2023 r. Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki za rok 2023 został ujawniony, uznając wybitny wkład trzech naukowców, którzy odegrali kluczowe role jako pionierów w dziedzinie AtoseCond Laser Technology.

Termin „laser attosekundowy” wywodzi swoją nazwę od niewiarygodnie krótkiej skali czasowej, na której działa, szczególnie w kolejności Atosekund, odpowiadającej 10^-18 sekund. Aby uchwycić głębokie znaczenie tej technologii, najważniejsze jest zrozumienie tego, co attosekund. AttoseCond stanowi wyjątkowo niewielką jednostkę czasu, stanowiąc miliard z miliardów sekundy w szerszym kontekście jednej sekundy. Aby spojrzeć na to z perspektywy, gdybyśmy porównali sekundę do wysokiej góry, attosekund byłby podobny do jednego ziarna piasku ułożonego u podstawy góry. W tym ulotnym przedziale czasowym nawet światło ledwo może przemierzać odległość równoważną wielkości pojedynczego atomu. Dzięki wykorzystaniu laserów attosekundowych naukowcy zyskują niespotykaną zdolność do analizy i manipulowania skomplikowaną dynamiką elektronów w strukturach atomowych, podobna do powtórki zwolnionego temperatury ramy w ramce w sekwencji filmowej, w ten sposób zagłębiając się.

Lasery attosekundowereprezentują kulminację szeroko zakrojonych badań i skoordynowanych wysiłków naukowców, którzy wykorzystali zasady nieliniowej optyki do tworzenia ultraszybkich laserów. Ich nadejście umożliwiło nam innowacyjny punkt obserwacyjny do obserwacji i eksploracji procesów dynamicznych, które przechodzą w atomach, cząsteczkach, a nawet elektronach w materiałach stałych.

Aby wyjaśnić charakter laserów attosekundowych i docenić ich niekonwencjonalne atrybuty w porównaniu z konwencjonalnymi laserami, konieczne jest zbadanie ich kategoryzacji w szerszej „rodzinie laserowej”. Klasyfikacja według długości fali umieszcza lasery attosekundowe głównie w zakresie ultrafioletu do miękkich częstotliwości promieniowania rentgenowskiego, co oznacza ich wyraźnie krótsze długości fal w przeciwieństwie do konwencjonalnych laserów. Pod względem trybów wyjściowych lasery attosekundowe należą do kategorii laserów pulsacyjnych, charakteryzujących się ich wyjątkowo krótkim czasem trwania impulsu. Aby narysować analogię do przejrzystości, można przewidzieć lasery ciągłe fali jako przypominające latarkę, emitującą ciągłą wiązkę światła, podczas gdy lasery pulsowane przypominają światło stroboskopowe, szybko na przemian między okresami oświetlenia i ciemności. Zasadniczo lasery attosekundowe wykazują pulsujące zachowanie w oświetleniu i ciemności, ale ich przejście między dwoma stanami trwa z zadziwiającą częstotliwością, osiągając dziedzinę attosekund.

Dalsza kategoryzacja według mocy umieszcza lasery w nawiasach o niskiej mocy, sile i dużej mocy. Lasery attosekundowe osiągają wysoką moc szczytową ze względu na ich wyjątkowo krótkie czas trwania impulsu, co powoduje wyraźną moc szczytową (P) - zdefiniowaną jako intensywność energii na jednostkę czasu (p = w/t). Chociaż poszczególne impulsy laserowe attosekundowe mogą nie mieć wyjątkowo dużej energii (W), ich skrócony zasięg czasowy (t) nadaje im podwyższoną moc szczytową.

Pod względem domen aplikacji lasery obejmują spektrum obejmujące zastosowania przemysłowe, medyczne i naukowe. Lasery attosekundowe znajdują się przede wszystkim w dziedzinie badań naukowych, szczególnie w badaniu szybko rozwijających się zjawisk w dziedzinie fizyki i chemii, oferując okno na szybkie procesy dynamiczne na świecie mikrokosmicznym.

Kategoryzacja według laserowej medium wyznacza lasery jako lasery gazowe, lasery w stanie stałym, ciekłe lasery i lasery półprzewodników. Generowanie laserów attosekundowych zwykle zależy od mediów laserowych, wykorzystując nieliniowe efekty optyczne w celu wywołania harmonicznych wysokiego rzędu.

Podsumowując, lasery attosekundowe stanowią unikalną klasę laserów z krótkim pulsem, wyróżniającym się ich wyjątkowo krótkim czasem impulsów, zwykle mierzonych w attosekundach. W rezultacie stały się one niezbędnymi narzędziami do obserwacji i kontrolowania ultraszybkich dynamicznych procesów elektronów w atomach, cząsteczkach i materiałach stałych.

Skomplikowany proces generowania lasera attosekundowego

Technologia laserowa attosekundowa stoi na czele innowacji naukowych, oferując intrygująco rygorystyczny zestaw warunków dla jej generowania. Aby wyjaśnić zawiłości generowania lasera attosekundowego, zaczynamy od zwięzłej ekspozycji jego podstawowych zasad, a następnie żywych metafor pochodzących z codziennych doświadczeń. Czytelnicy niezadowoleni w zawiłości odpowiedniej fizyki nie muszą rozpaczać, ponieważ następujące metafory mają na celu udostępnienie podstawowej fizyki laserów attosekundowych.

Proces generowania laserów attosekundowych opiera się przede wszystkim na technice znanej jako generowanie wysokiego harmonicznego (HHG). Po pierwsze, wiązka impulsów laserowych femtosekundowych (10^-15 sekund) jest ściśle skupiona na gazowym materiale docelowym. Warto zauważyć, że lasery femtosekundowe, podobne do laserów attosekundowych, dzielą cechy posiadania krótkiego pulsu i wysokiej mocy szczytowej. Pod wpływem intensywnego pola laserowego elektrony w atomach gazowych są chwilowo uwolnione z ich jąder atomowych, przejściowo wchodząc w stan wolnych elektronów. Gdy elektrony te oscylują w odpowiedzi na pole laserowe, ostatecznie wracają i rekombinują ze swoimi macierzystych jąder atomowych, tworząc nowe stany o wysokiej energii.

Podczas tego procesu elektrony poruszają się z wyjątkowo dużymi prędkościami i po rekombinacji z jądermi atomowymi uwalniają dodatkową energię w postaci wysokich emisji harmonicznych, manifestując się jako fotony wysokoenergetyczne.

Częstotliwości tych nowo wygenerowanych fotonów wysokoenergetycznych są wielokrotnościami całkowitymi oryginalnej częstotliwości laserowej, tworząc harmoniczne wysokiego rzędu, gdzie „harmoniczne” oznaczają częstotliwości, które są integralnymi mnożnikami pierwotnej częstotliwości. Aby osiągnąć lasery attosekundowe, konieczne staje się filtrowanie i skupienie tych harmonicznych wysokiego rzędu, wybierając określone harmoniczne i koncentrując je w punkcie centralnym. W razie potrzeby techniki kompresji impulsu mogą dodatkowo skrócić czas trwania impulsu, dając ultra-krótkie impulsy w zakresie attosekundowym. Najwyraźniej generowanie laserów attosekundowych stanowi wyrafinowany i wieloaspektowy proces, wymagając wysokiego stopnia sprawności technicznej i specjalistycznego sprzętu.

Aby zdemistyfikować ten skomplikowany proces, oferujemy metaforyczną równoległość ugruntowaną w codziennych scenariuszach:

Femtosekundowe impulsy laserowe o wysokiej intensywności:

Envision posiadający wyjątkowo silny katapult zdolny do natychmiastowego rzucania kamieniami z kolosalnymi prędkościami, podobną do roli, jaką odgrywają impulsy laserowe femtosekundowe o wysokiej intensywności.

Gasowy materiał docelowy:

Wyobraź sobie spokojny zbiornik wody, który symbolizuje gazowy materiał docelowy, w którym każda kropla wody reprezentuje niezliczone atomy gazu. Akt napędzania kamieni do tego zbiornika wody analogicznie odzwierciedla wpływ impulsów laserowych femtosekundowych o wysokiej intensywności na gazowy materiał docelowy.

Ruch elektronów i rekombinacja (fizycznie nazywane przejściem):

Gdy impulsy laserowe femtosekundowe wpływają na atomy gazu w gazowym materiale docelowym, znaczna liczba zewnętrznych elektronów jest chwilowo wzbudzona do stanu, w którym odłączają się od odpowiednich jąder atomowych, tworząc stan podobny do plazmy. W miarę jak energia systemu zmniejsza się (ponieważ impulsy laserowe są z natury pulsowane, zawierające odstępy zaprzestania), te zewnętrzne elektrony powracają do ich w pobliżu jąder atomowych, uwalniając fotony wysokoenergetyczne.

Wysokie generowanie harmoniczne:

Wyobraź sobie, że za każdym razem, gdy kropla wodna spada na powierzchnię jeziora, tworzy fale, podobnie jak wysokie harmoniczne w laserach attosekundowych. Fale te mają wyższe częstotliwości i amplitudy niż oryginalne fale spowodowane pierwotnym pulsem laserowym femtosekundowym. Podczas procesu HHG potężna wiązka laserowa, podobna do ciągłego rzucania kamieni, oświetla cel gazowy, przypominający powierzchnię jeziora. To intensywne pole laserowe napędza elektrony w gazie, analogiczne do fal, z dala od ich macierzystych atomów, a następnie odciąga je z powrotem. Za każdym razem, gdy elektron powraca do atomu, emituje nową wiązkę laserową o wyższej częstotliwości, podobnie jak bardziej skomplikowane wzory falowania.

Filtrowanie i skupienie:

Łączenie wszystkich nowo wygenerowanych wiązek laserowych daje widmo różnych kolorów (częstotliwości lub długości fal), z których niektóre stanowią laser attosekundowy. Aby wyodrębnić określone rozmiary i częstotliwości tętnienia, możesz zastosować specjalistyczny filtr, podobny do wyboru pożądanych fal i zastosować szkło powiększające, aby skupić je na określonym obszarze.

Kompresja impulsowa (w razie potrzeby):

Jeśli dążysz do szybszego i krótszego propagowania fal, możesz przyspieszyć ich propagację za pomocą specjalistycznego urządzenia, skracając czas trwałego trwałości. Generowanie laserów attosekundowych obejmuje złożoną wzajemne oddziaływanie procesów. Jednak po rozbiciu i wizualizowaniu staje się bardziej zrozumiałe.