Увечері 3 жовтня 2023 року було оголошено про знаменне представлення лауреата Нобелівської премії з фізики за 2023 рік, яка визнає видатний внесок трьох вчених, які відіграли ключову роль як піонери в галузі атосекундних лазерних технологій.

Термін «атосекундний лазер» отримав свою назву від неймовірно короткого часового інтервалу, в якому він працює, зокрема, порядку атосекунд, що відповідає 10^-18 секундам. Щоб зрозуміти глибоке значення цієї технології, надзвичайно важливо фундаментальне розуміння того, що означає атосекунда. Атосекунда — це надзвичайно мізерна одиниця часу, що становить одну мільярдну мільярдну частку секунди в ширшому контексті однієї секунди. Щоб зрозуміти це в перспективі, якщо порівняти секунду з високою горою, атосекунда була б схожа на одну піщинку, що лежить біля підніжжя гори. У цей швидкоплинний часовий інтервал навіть світло ледве може подолати відстань, еквівалентну розміру окремого атома. Завдяки використанню атосекундних лазерів вчені отримують безпрецедентну можливість досліджувати та маніпулювати складною динамікою електронів в атомних структурах, подібно до покадрового уповільненого відтворення в кінематографічній послідовності, тим самим заглиблюючись в їхню взаємодію.

Атосекундні лазериє кульмінацією масштабних досліджень та узгоджених зусиль вчених, які використали принципи нелінійної оптики для створення надшвидких лазерів. Їхня поява надала нам інноваційну точку зору для спостереження та дослідження динамічних процесів, що відбуваються в атомах, молекулах і навіть електронах у твердих матеріалах.

Щоб з'ясувати природу атосекундних лазерів та оцінити їхні нетрадиційні властивості порівняно зі звичайними лазерами, вкрай важливо дослідити їх категоризацію в рамках ширшого "сімейства лазерів". Класифікація за довжиною хвилі розміщує атосекундні лазери переважно в діапазоні частот від ультрафіолетового до м'якого рентгенівського випромінювання, що означає їх значно коротші довжини хвиль порівняно зі звичайними лазерами. Щодо режимів випромінювання, атосекундні лазери належать до категорії імпульсних лазерів, що характеризуються надзвичайно короткою тривалістю імпульсів. Для наочності можна уявити лазери безперервної хвилі як ліхтарик, що випромінює безперервний промінь світла, тоді як імпульсні лазери нагадують стробоскоп, швидко чергуючи періоди освітлення та темряви. По суті, атосекундні лазери демонструють пульсуючу поведінку в умовах освітлення та темряви, проте їхній перехід між цими двома станами відбувається з вражаючою частотою, досягаючи області атосекунд.

Подальша категоризація за потужністю розподіляє лазери на низькоенергетичні, середньоенергетичні та високоенергетичні. Атосекундні лазери досягають високої пікової потужності завдяки надзвичайно короткій тривалості імпульсів, що призводить до вираженої пікової потужності (P), яка визначається як інтенсивність енергії за одиницю часу (P=Вт/t). Хоча окремі атосекундні лазерні імпульси можуть не мати надзвичайно великої енергії (Вт), їхня скорочена часова протяжність (t) надає їм підвищеної пікової потужності.

Що стосується галузей застосування, лазери охоплюють спектр, що охоплює промислове, медичне та наукове застосування. Атосекундні лазери знаходять свою нішу переважно в галузі наукових досліджень, зокрема, у дослідженні швидкозмінних явищ у галузях фізики та хімії, пропонуючи вікно у швидкі динамічні процеси мікрокосмічного світу.

Класифікація за лазерним середовищем розмежовує лазери на газові лазери, твердотільні лазери, рідинні лазери та напівпровідникові лазери. Генерація атосекундних лазерів зазвичай залежить від газового лазерного середовища, використовуючи нелінійні оптичні ефекти для створення гармонік вищого порядку.

Підсумовуючи, атосекундні лазери являють собою унікальний клас лазерів з короткими імпульсами, що відрізняються надзвичайно короткою тривалістю імпульсу, яка зазвичай вимірюється в атосекундах. Як результат, вони стали незамінними інструментами для спостереження та контролю надшвидких динамічних процесів електронів в атомах, молекулах та твердих матеріалах.

Складний процес генерації атосекундного лазера

Технологія атосекундних лазерів стоїть на передовій наукових інновацій, характеризуючись надзвичайно суворим набором умов для її генерації. Щоб з'ясувати тонкощі генерації атосекундного лазера, ми почнемо з короткого викладу її основних принципів, а потім наведемо яскраві метафори, запозичені з повсякденного досвіду. Читачам, які не знайомі з тонкощами відповідної фізики, не варто впадати у відчай, оскільки наступні метафори мають на меті зробити фундаментальну фізику атосекундних лазерів доступною.

Процес генерації атосекундних лазерів в основному базується на методі, відомому як генерація високих гармонік (ГВГ). По-перше, промінь високоінтенсивних фемтосекундних (10^-15 секунд) лазерних імпульсів щільно фокусується на газоподібний матеріал-мішень. Варто зазначити, що фемтосекундні лазери, подібні до атосекундних лазерів, мають такі характеристики, як коротка тривалість імпульсів та висока пікова потужність. Під впливом інтенсивного лазерного поля електрони в атомах газу миттєво вивільняються зі своїх атомних ядер, тимчасово переходячи у стан вільних електронів. Коли ці електрони коливаються у відповідь на лазерне поле, вони зрештою повертаються до своїх батьківських атомних ядер та рекомбінують з ними, створюючи нові високоенергетичні стани.

Під час цього процесу електрони рухаються з надзвичайно високими швидкостями, і при рекомбінації з атомними ядрами вони вивільняють додаткову енергію у вигляді випромінювання високих гармонік, що проявляється як фотони високої енергії.

Частоти цих новостворених високоенергетичних фотонів є цілочисельними кратними вихідної лазерної частоти, утворюючи так звані гармоніки високого порядку, де "гармоніки" позначають частоти, які є цілочисельними кратними вихідної частоти. Для отримання атосекундних лазерів необхідно фільтрувати та фокусувати ці гармоніки високого порядку, вибираючи певні гармоніки та концентруючи їх у фокусній точці. За бажанням, методи стиснення імпульсів можуть ще більше скоротити тривалість імпульсу, отримуючи надкороткі імпульси в атосекундному діапазоні. Очевидно, що генерація атосекундних лазерів являє собою складний та багатогранний процес, що вимагає високого ступеня технічної майстерності та спеціалізованого обладнання.

Щоб розвіяти міфи про цей складний процес, ми пропонуємо метафоричну паралель, що ґрунтується на повсякденних сценаріях:

Високоінтенсивні фемтосекундні лазерні імпульси:

Уявіть собі надзвичайно потужну катапульту, здатну миттєво викидати каміння з колосальною швидкістю, подібно до ролі, яку відіграють високоінтенсивні фемтосекундні лазерні імпульси.

Газоподібний цільовий матеріал:

Уявіть собі спокійну водойму, що символізує газоподібний матеріал-мішень, де кожна крапля води представляє безліч атомів газу. Акт кидання каміння в цю водойму аналогічно відображає вплив високоінтенсивних фемтосекундних лазерних імпульсів на газоподібний матеріал-мішень.

Рух електронів та рекомбінація (фізично названий перехід):

Коли фемтосекундні лазерні імпульси впливають на атоми газу всередині газоподібного матеріалу мішені, значна кількість зовнішніх електронів на мить збуджується до стану, в якому вони відриваються від відповідних атомних ядер, утворюючи плазмоподібний стан. Зі зменшенням енергії системи (оскільки лазерні імпульси за своєю суттю імпульсні та мають періоди припинення), ці зовнішні електрони повертаються до своєї околиці атомних ядер, вивільняючи фотони високої енергії.

Генерація високих гармонік:

Уявіть, що кожного разу, коли крапля води падає назад на поверхню озера, вона створює брижі, подібні до високих гармонік в атосекундних лазерах. Ці брижі мають вищі частоти та амплітуди, ніж початкові брижі, спричинені первинним фемтосекундним лазерним імпульсом. Під час процесу ГВГ потужний лазерний промінь, подібний до безперервного підкидання каміння, освітлює газову ціль, що нагадує поверхню озера. Це інтенсивне лазерне поле відштовхує електрони в газі, аналогічно брижам, від їхніх батьківських атомів, а потім відтягує їх назад. Щоразу, коли електрон повертається до атома, він випромінює новий лазерний промінь з вищою частотою, подібний до складніших візерунків брижів.

Фільтрація та фокусування:

Поєднання всіх цих новозгенерованих лазерних променів дає спектр різних кольорів (частот або довжин хвиль), деякі з яких складають атосекундний лазер. Щоб виділити певні розміри та частоти брижів, можна використовувати спеціалізований фільтр, подібний до вибору потрібних брижів, і за допомогою лупи сфокусувати їх на певній області.

Стиснення імпульсів (за необхідності):

Якщо ви прагнете швидше та коротше поширювати брижі, ви можете прискорити їх поширення за допомогою спеціалізованого пристрою, скоротивши час тривалості кожної брижі. Генерація атосекундних лазерів включає складну взаємодію процесів. Однак, якщо розбити та візуалізувати, це стає більш зрозумілим.