У знаменному оголошенні ввечері 3 жовтня 2023 року Нобелівська премія з фізики за 2023 року була оприлюднена, визнаючи видатний внесок трьох вчених, які відігравали ключову роль як піонерів у царині аттосекундних лазерних технологій.

Термін "Аттосекунд лазер" отримує свою назву від неймовірно короткого часового масштабу, на якому він працює, зокрема в порядку Аттосоекунд, що відповідає 10^-18 секунд. Щоб зрозуміти глибоке значення цієї технології, основне розуміння того, що означає Аттосекунд, є першорядним. Аттосекунд виступає як надзвичайно хвилинна одиниця часу, що становить мільярд мільярда секунди в більш широкому контексті секунди. Щоб поставити це в перспективу, якби ми порівнювали секунду з високою горою, аттосекунд був би схожим на єдине зерно піску, розташоване біля основи гори. У цьому швидкоплинному тимчасовому інтервалі навіть світло ледве може пройти відстань, еквівалентну розміру індивідуального атома. Завдяки використанню аттосекундних лазерів, вчені отримують безпрецедентну здатність ретельно вивчити та маніпулювати заплутаною динамікою електронів в атомних структурах, схожій на кадр за рамками повільного руху в кінематографічній послідовності, тим самим заглядаючи у свою взаємодію.

Аттосекундні лазериПредставляйте кульмінацію широких досліджень та узгоджені зусилля вчених, які використали принципи нелінійної оптики для створення ультрашвидких лазерів. Їх пришестя забезпечила нам інноваційну точку зору для спостереження та вивчення динамічних процесів, що проходять в атомах, молекулах і навіть електронів у твердих матеріалах.

Для з'ясування характеру атмосекундних лазерів та оцінки їх нетрадиційних ознак порівняно зі звичайними лазерами, важливо вивчити їх категоризацію в більш широкій «лазерній родині». Класифікація за довжиною хвилі місць аттосекундних лазерів переважно в межах діапазону ультрафіолетових до м'яких рентгенівських частот, що означає їх помітно коротші довжини хвилі на відміну від звичайних лазерів. Що стосується режимів виходу, аттосоекундні лазери підпадають під категорію імпульсних лазерів, що характеризується їх надзвичайно короткою тривалою імпульсу. Щоб провести аналогію для ясності, можна передбачити безперервно-хвильові лазери як схожі на ліхтарик, що випромінює безперервний промінь світла, в той час як імпульсні лазери нагадують стробове світло, швидко чергуючи між періодами освітлення та темрявою. По суті, аттосекундні лазери виявляють пульсуючу поведінку в рамках освітлення та темряви, але їх перехід між двома державами переходить з дивовижною частотою, досягаючи сфери аттосекунд.

Подальша категоризація за допомогою живлення розміщує лазери в множину потужності, середньої потужності та потужності. Аттосекундні лазери досягають високої пікової потужності завдяки їх надзвичайно короткій тривалості імпульсу, що призводить до вираженої пікової потужності (P) - визначається як інтенсивність енергії за одиницю часу (P = W/T). Незважаючи на те, що індивідуальні атмосекундні лазерні імпульси можуть не мати надзвичайно великої енергії (W), їх скорочений часовий ступінь (t) надає їх підвищеною піковою потужністю.

Що стосується доменів застосування, лазери охоплюють спектр, що охоплює промислові, медичні та наукові програми. Аттосекундні лазери в першу чергу знаходять свою нішу в царині наукових досліджень, особливо в дослідженні швидко розвиваються явищ у межах фізики та хімії, пропонуючи вікно в динамічні процеси мікрокосмічного світу.

Категоризація лазерним середовищем визначає лазери як газові лазери, твердотільні лазери, рідкі лазери та напівпровідникові лазери. Генерація аттосекундних лазерів, як правило, залежить від газових лазерних засобів масової інформації, використовуючи нелінійні оптичні ефекти для породження гармоніків високого порядку.

Підсумовуючи, аттосекундні лазери складають унікальний клас коротких пульсових лазерів, що відрізняються їх надзвичайно короткими тривалістю імпульсу, як правило, вимірюються в аттосекундах. Як результат, вони стали незамінними інструментами для спостереження та контролю надшвидкісних динамічних процесів електронів в атомах, молекулах та твердих матеріалах.

Витончений процес атосоекундного лазерного покоління

Аттосекундна лазерна технологія стоїть на передньому плані наукових інновацій, похвалившись інтригуючим суворим набором умов для його покоління. Для з'ясування тонкощів аттосекундного лазерного покоління ми починаємо з короткої експозиції його основних принципів з подальшими яскравими метафорами, отриманими з повсякденного досвіду. Читачі, об'єднані в тонкощах відповідної фізики, не повинні відчайдушно, оскільки наступні метафори мають на меті зробити основоположну фізику аттосекундних лазерів.

Процес генерації аттосекундних лазерів в першу чергу спирається на техніку, відому як високе гармонічне покоління (HHG). По-перше, промінь фемтосекундних (10^-15 секунд) лазерних імпульсів (10^-15 секунд) щільно зосереджений на газоподібному цільовому матеріалу. Варто зазначити, що фемтосекундні лазери, схожі на аттосекундні лазери, поділяють характеристики володіння короткими тривалістю імпульсу та високою піковою потужністю. Під впливом інтенсивного лазерного поля електрони в атомах газу на мить звільняються від їх атомних ядер, тимчасово потрапляючи у стан вільних електронів. Коли ці електрони коливаються у відповідь на лазерне поле, вони врешті-решт повертаються до та рекомбіну зі своїми батьківськими атомними ядрами, створюючи нові високоенергетичні стани.

Під час цього процесу електрони рухаються з надзвичайно високими швидкостями, і після рекомбінації з атомними ядрами вони вивільняють додаткову енергію у вигляді високих гармонічних викидів, що проявляються як високоенергетичні фотони.

Частоти цих новостворених високоенергетичних фотонів-це цілі кратні числа початкової лазерної частоти, утворюючи те, що називають гармоніками високого порядку, де "гармоніки" позначають частоти, що є цілісними кратними частотою. Для досягнення атмосекундних лазерів стає необхідним фільтрувати та зосередити ці гармоніки високого порядку, вибираючи специфічні гармоніки та зосередити їх на фокус. За бажанням методи стиснення імпульсу можуть ще більше скоротити тривалість імпульсу, даючи надкоротні імпульси в діапазоні аттосекунд. Очевидно, що генерація аттосекундних лазерів є складним та багатогранним процесом, вимагаючи високого ступеня технічної майстерності та спеціалізованого обладнання.

Щоб демістифікувати цей складний процес, ми пропонуємо метафоричну паралельну, обґрунтовану в повсякденних сценаріях:

Фемтосекундні лазерні імпульси з високою інтенсивністю:

Передбачає, що має надзвичайно потужну катапульту, здатну миттєво кинути каміння з колосальними швидкостями, схожими на роль, яку відіграють фемтосекундні лазерні імпульси з високою інтенсивністю.

Газоподібний цільовий матеріал:

Зобразіть спокійне водойму, яке символізує газоподібне цільовий матеріал, де кожна крапка води являє собою безліч атомів газу. Акт присутніх каменів у цей корпус води аналогічно відображає вплив фемтосекундних лазерних імпульсів високої інтенсивності на газоподібному цільовому матеріалі.

Рух електронів та рекомбінація (фізично названий перехід):

Коли фемтосекундні лазерні імпульси впливають на атоми газу в газоподібному цільовому матеріалі, значна кількість зовнішніх електронів на мить збуджується до стану, де вони відриваються від відповідних атомних ядер, утворюючи стан, що нагадує плазму. Коли енергія системи згодом зменшується (оскільки лазерні імпульси за своєю суттю імпульсні, що містять інтервали припинення), ці зовнішні електрони повертаються до своєї околиці атомних ядер, вивільняючи високоенергетичні фотони.

Високе гармонічне покоління:

Уявіть собі, коли крапелька води повертається назад на поверхню озера, вона створює брижі, як і високі гармоніки в аттосекундних лазерах. Ці пульсації мають більш високі частоти та амплітуди, ніж вихідні пульсації, спричинені первинним фемтосекундним лазерним імпульсом. Під час процесу HHG потужний лазерний промінь, схожий на постійно кидати каміння, висвітлює газову ціль, нагадуючи поверхню озера. Це інтенсивне лазерне поле подає електрони в газі, аналогічно брижі, подалі від батьківських атомів, а потім відтягує їх назад. Кожен раз, коли електрон повертається в атом, він випромінює новий лазерний промінь з більшою частотою, схожим на більш хитромудрі візерунки пульсації.

Фільтрування та фокусування:

Поєднання всіх цих новостворених лазерних променів дає спектр різних кольорів (частот або довжина хвиль), деякі з яких складають аттосекунд лазера. Для виділення конкретних розмірів і частот пульсації ви можете використовувати спеціалізований фільтр, схожий на вибір бажаних брижі та використовувати лупу, щоб зосередити їх на певній області.

Стиснення імпульсу (за необхідності):

Якщо ви прагнете розповсюджувати брижі швидше і коротше, ви можете прискорити їх розповсюдження за допомогою спеціалізованого пристрою, скорочуючи час, який триває кожна пульсація. Покоління аттосекундних лазерів передбачає складну взаємодію процесів. Однак, коли його розбивають і візуалізуються, це стає більш зрозумілим.