У знаменному оголошенні ввечері 3 жовтня 2023 року було оприлюднено Нобелівську премію з фізики за 2023 рік, яка відзначає видатний внесок трьох вчених, які відіграли ключову роль як піонери в царині аттосекундних лазерних технологій.

Термін «атосекундний лазер» отримав свою назву через неймовірно коротку шкалу часу, на якій він працює, зокрема в порядку аттосекунд, що відповідає 10^-18 секундам. Щоб зрозуміти глибоке значення цієї технології, першочерговим є фундаментальне розуміння того, що означає аттосекунда. Атосекунда — це надзвичайно дрібна одиниця часу, що становить одну мільярдну мільярдну частку секунди в ширшому контексті однієї секунди. Якщо порівняти секунду з високою горою, то аттосекунда буде схожа на одну піщинку, розташовану біля підніжжя гори. У цьому короткочасному тимчасовому інтервалі навіть світло ледве може подолати відстань, еквівалентну розміру окремого атома. Завдяки використанню аттосекундних лазерів вчені отримують безпрецедентну можливість ретельно досліджувати та маніпулювати складною динамікою електронів у атомних структурах, подібно до покадрового уповільненого відтворення кінематографічної послідовності, таким чином заглиблюючись у їх взаємодію.

Атосекундні лазериявляють собою кульмінацію великих досліджень і спільних зусиль вчених, які використали принципи нелінійної оптики для створення надшвидких лазерів. Їхня поява надала нам інноваційну перспективу для спостереження та дослідження динамічних процесів, що відбуваються в атомах, молекулах і навіть електронах у твердих матеріалах.

Щоб з’ясувати природу аттосекундних лазерів і оцінити їх нетрадиційні властивості в порівнянні зі звичайними лазерами, вкрай важливо вивчити їх класифікацію в рамках ширшої «сімейства лазерів». Класифікація за довжиною хвилі розміщує аттосекундні лазери переважно в діапазоні частот від ультрафіолетового до м’якого рентгенівського випромінювання, вказуючи на те, що довжини хвилі у них значно коротші на відміну від звичайних лазерів. З точки зору режимів випромінювання, аттосекундні лазери належать до категорії імпульсних лазерів, які характеризуються надзвичайно короткою тривалістю імпульсу. Щоб провести аналогію для ясності, можна уявити лазери безперервної хвилі як подібні до ліхтарика, що випромінює безперервний промінь світла, тоді як імпульсні лазери нагадують стробоскоп, швидко чергуючи періоди освітлення та темряви. По суті, аттосекундні лазери демонструють пульсуючу поведінку в освітленні та темряві, але їхній перехід між двома станами відбувається з дивовижною частотою, досягаючи царства аттосекунд.

Подальша класифікація за потужністю розподіляє лазери на малопотужні, середньопотужні та високопотужні. Атосекундні лазери досягають високої пікової потужності завдяки надзвичайно короткій тривалості імпульсу, що призводить до яскраво вираженої пікової потужності (P), яка визначається як інтенсивність енергії за одиницю часу (P=W/t). Хоча окремі аттосекундні лазерні імпульси можуть не мати надзвичайно великої енергії (Вт), їх скорочений часовий протяжність (t) надає їм підвищену пікову потужність.

З точки зору областей застосування лазери охоплюють широкий спектр промислових, медичних і наукових застосувань. Атосекундні лазери в першу чергу знаходять свою нішу в галузі наукових досліджень, зокрема у вивченні явищ, що швидко розвиваються, у сферах фізики та хімії, відкриваючи вікно у швидкі динамічні процеси мікрокосмічного світу.

Класифікація за лазерним середовищем поділяє лазери на газові лазери, твердотільні лазери, рідинні лазери та напівпровідникові лазери. Генерація аттосекундних лазерів зазвичай залежить від середовища газового лазера, використовуючи нелінійні оптичні ефекти для створення гармонік високого порядку.

Підсумовуючи, аттосекундні лазери становлять унікальний клас короткоімпульсних лазерів, які відрізняються своєю надзвичайно короткою тривалістю імпульсу, яка зазвичай вимірюється в аттосекундах. У результаті вони стали незамінними інструментами для спостереження та керування надшвидкими динамічними процесами електронів в атомах, молекулах і твердих матеріалах.

Складний процес генерації аттосекундного лазера

Лазерна технологія Attosecond стоїть на передньому краї наукових інновацій і може похвалитися інтригуюче суворим набором умов для її створення. Щоб з’ясувати тонкощі генерації аттосекундного лазера, ми починаємо з короткого викладу її основних принципів, після чого слідуємо яскравими метафорами, отриманими з повсякденного досвіду. Читачам, які не знайомі з тонкощами відповідної фізики, не варто впадати у відчай, оскільки наступні метафори мають на меті зробити доступною основоположну фізику аттосекундних лазерів.

Процес генерації аттосекундних лазерів в основному спирається на техніку, відому як генерація високих гармоній (HHG). По-перше, промінь високоінтенсивних фемтосекундних (10^-15 секунд) лазерних імпульсів щільно фокусується на газоподібному матеріалі мішені. Варто зазначити, що фемтосекундні лазери, схожі на аттосекундні лазери, мають спільні характеристики короткої тривалості імпульсу та високої пікової потужності. Під впливом інтенсивного лазерного поля електрони всередині атомів газу миттєво звільняються від своїх атомних ядер, тимчасово переходячи в стан вільних електронів. Коли ці електрони коливаються у відповідь на лазерне поле, вони зрештою повертаються до своїх батьківських атомних ядер і рекомбінуються з ними, 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 гармонійних випромінювань, які проявляються у вигляді високоенергетичних фотонів.

Частоти цих щойно згенерованих високоенергетичних фотонів є цілими числами, кратними початковій частоті лазера, утворюючи так звані гармоніки високого порядку, де «гармоніки» позначають частоти, кратні вихідній частоті. Щоб отримати аттосекундні лазери, стає необхідним фільтрувати та фокусувати ці гармоніки високого порядку, вибираючи конкретні гармоніки та концентруючи їх у фокусі. За бажання методи стиснення імпульсу можуть ще більше скоротити тривалість імпульсу, даючи ультракороткі імпульси в атосекундному діапазоні. Очевидно, що створення аттосекундних лазерів є складним і багатогранним процесом, що вимагає високого рівня технічної майстерності та спеціалізованого обладнання.

Щоб демістифікувати цей заплутаний процес, ми пропонуємо метафоричну паралель, засновану на повсякденних сценаріях:

Фемтосекундні лазерні імпульси високої інтенсивності:

Уявіть собі надзвичайно потужну катапульту, здатну миттєво кидати каміння з колосальною швидкістю, схожу на роль фемтосекундних лазерних імпульсів високої інтенсивності.

Матеріал газоподібної мішені:

Уявіть собі спокійну водойму, яка символізує газоподібний матеріал мішені, де кожна краплина води представляє безліч атомів газу. Акт проштовхування каменів у цю водойму аналогічно відображає вплив фемтосекундних лазерних імпульсів високої інтенсивності на газоподібний матеріал мішені.

Рух і рекомбінація електронів (фізично названий переходом):

Коли фемтосекундні лазерні імпульси впливають на атоми газу в газоподібному матеріалі мішені, значна кількість зовнішніх електронів миттєво збуджується до стану, коли вони відриваються від своїх відповідних атомних ядер, утворюючи плазмоподібний стан. У міру того, як енергія системи згодом зменшується (оскільки лазерні імпульси за своєю суттю є імпульсними з інтервалами припинення), ці зовнішні електрони повертаються в околиці атомних ядер, вивільняючи високоенергетичні фотони.

Висока генерація гармонік:

Уявіть, що кожного разу, коли крапля води падає на поверхню озера, вона створює брижі, схожі на високі гармоніки в аттосекундних лазерах. Ці пульсації мають вищі частоти та амплітуди, ніж початкові пульсації, спричинені первинним фемтосекундним лазерним імпульсом. Під час процесу HHG потужний лазерний промінь, схожий на безперервне підкидання каменів, освітлює газову мішень, схожу на поверхню озера. Це інтенсивне лазерне поле відштовхує електрони в газі, подібно до брижів, від їхніх батьківських атомів, а потім відтягує їх назад. Кожного разу, коли електрон повертається до атома, він випромінює новий лазерний промінь з вищою частотою, схожий на складніші візерунки пульсацій.

Фільтрація та фокусування:

Об’єднання всіх цих нещодавно згенерованих лазерних променів дає спектр різних кольорів (частот або довжин хвиль), деякі з яких утворюють аттосекундний лазер. Щоб виділити брижі певного розміру та частоти, ви можете застосувати спеціальний фільтр, подібний до вибору бажаних брижів, і використовувати збільшувальне скло, щоб сфокусувати їх на певній ділянці.

Компресія імпульсу (при необхідності):

Якщо ви прагнете поширювати хвилі швидше та коротше, ви можете прискорити їх поширення за допомогою спеціального пристрою, скоротивши час тривалості кожної хвилі. Генерація аттосекундних лазерів передбачає складну взаємодію процесів. Однак, якщо розбити та візуалізувати, воно стає більш зрозумілим.