Nozīmīgā paziņojumā 2023. gada 3. oktobra vakarā tika atklāta Nobela prēmija fizikā 2023. gadā, atzīstot trīs zinātnieku izcilo ieguldījumu, kuri ir spēlējuši galvenās lomas kā pionieri Atlosekundu lāzera tehnoloģijas jomā.

Termins "Atosecond Laser" savu nosaukumu iegūst no neticami īsa laika grafika, kurā tas darbojas, it īpaši Atosekunču secībā, kas atbilst 10^-18 sekundēm. Lai aptvertu šīs tehnoloģijas dziļo nozīmi, ārkārtīgi svarīga ir būtiska izpratne par to, ko apzīmē dzīvnieks. Attosekunce ir ārkārtīgi minūtes laika vienība, kas veido vienu miljardu miljardu sekundes, plašākā kontekstā vienā sekundē. Raugoties perspektīvā, ja mēs sekundi pielīdzinātu strauji augošam kalnam, kalna pamatnē ligzdotu attosekunds būtu līdzīgs vienam smilšu graudam. Šajā īslaicīgajā laika intervālā pat gaisma tik tikko var šķērsot attālumu, kas ekvivalents atsevišķa atoma lielumam. Izmantojot dzīvojamo sekunžu lāzerus, zinātnieki iegūst nepieredzētu spēju pārbaudīt un manipulēt ar sarežģīto elektronu dinamiku atomu struktūrās, kas līdzīgi kā rāmja rāmja lēnas kustības atkārtojums kinematogrāfiskā secībā, tādējādi iedziļinoties to mijiedarbībā.

Attosekundes lāzeriPārstāvēt plašo pētījumu un zinātnieku saskaņotu centienu kulmināciju, kuri ir izmantojuši nelineārās optikas principus, lai izstrādātu ultraātus lāzerus. Viņu Advents mums ir nodrošinājis novatorisku viedokli, lai novērotu un izpētītu dinamiskos procesus, kas transportē atomos, molekulās un pat elektronos cietos materiālos.

Lai noskaidrotu attosekundes lāzeru raksturu un novērtētu to netradicionālās īpašības, salīdzinot ar parastajiem lāzeriem, ir obligāti jāizpēta to kategorizācija plašākā "lāzeru ģimenē". Klasifikācija pēc viļņa garuma izvieto attosekundes lāzerus galvenokārt ultravioletā līdz mīksto rentgenstaru frekvenču diapazonā, kas norāda uz to ievērojami īsākiem viļņu garumiem pretstatā parastajiem lāzeriem. Runājot par izvades režīmiem, Atosekundes lāzeri ietilpst pulsētu lāzeru kategorijā, kam raksturīgs ārkārtīgi īss impulsa ilgums. Lai uzzīmētu skaidrības analoģiju, var paredzēt nepārtrauktu viļņu lāzerus kā līdzīgu lukturītim, kas izstaro nepārtrauktu gaismas staru, savukārt pulsētie lāzeri atgādina strobā gaismu, ātri mainoties apgaismojuma periodiem un tumsai. Būtībā Atosekundes lāzeriem ir pulsējoša izturēšanās apgaismojumā un tumsā, tomēr to pāreja starp abām valstīm notiek pārsteidzošā frekvencē, sasniedzot Atosekunču jomu.

Turpmāka kategorizēšana pēc strāvas kategorijām liek lāzeriem mazjaudas, vidēja enerģijas un lieljaudas stiprinājumos. Attosekundes lāzeri sasniedz augstu maksimālo jaudu, pateicoties to ārkārtīgi īsajam impulsa ilgumam, kā rezultātā tiek izteikta izteikta maksimālā jauda (P) - definēta kā enerģijas intensitāte laika vienībā (p = w/t). Lai arī individuāliem attosekundes lāzera impulsiem var būt ārkārtīgi liela enerģija (W), to saīsinātais laika posms (t) viņiem piešķir paaugstinātu maksimālo jaudu.

Lietojumprogrammu domēnu ziņā lāzeri aptver spektru, kas ietver rūpniecisko, medicīnisko un zinātnisko pielietojumu. Attosekundes lāzeri galvenokārt atrod savu nišu zinātnisko pētījumu jomā, jo īpaši strauji mainīgu parādību izpētē fizikas un ķīmijas jomā, piedāvājot logu mikrokosmiskajā pasaules ātrā dinamiskajā procesā.

Kategorizēšana pēc lāzera vidēja līmeņa lāzeriem dēvē lāzerus kā gāzes lāzerus, cietvielu lāzerus, šķidros lāzerus un pusvadītāju lāzerus. Attosekundes lāzeru ģenerēšana parasti ir atkarīga no gāzes lāzera barotnēm, kas gūst labumu no nelineāras optiskās ietekmes, lai radītu augstas pakāpes harmonikas.

Rezumējot, attosekundes lāzeri veido unikālu īsa impulsa lāzeru klasi, kas izceļas ar to ārkārtīgi īso impulsa ilgumu, ko parasti mēra dzīvojamās sekundēs. Tā rezultātā tie ir kļuvuši par neaizstājamiem instrumentiem, lai novērotu un kontrolētu elektronu īpaši dinamiskos procesus atomos, molekulās un cietos materiālos.

Sarežģītais attosekundes lāzera ģenerēšanas process

Attosekundes lāzera tehnoloģija ir zinātnisku inovāciju priekšplānā, lepojoties ar intriģējoši stingru nosacījumu kopumu savai paaudzei. Lai noskaidrotu attosekundes lāzera ģenerēšanas sarežģītību, mēs sākam ar īsu tā pamatprincipu ekspozīciju, kam seko spilgtas metaforas, kas iegūtas no ikdienas pieredzes. Lasītājiem, kas ir nepārprotami attiecīgās fizikas sarežģītības, nav nepieciešams izmisums, jo sekojošo metaforu mērķis ir padarīt pieejamus attosekundes lāzeru pamatus.

Attosekundes lāzeru paaudzes process galvenokārt balstās uz paņēmienu, kas pazīstams kā augsta harmoniskā paaudze (HHG). Pirmkārt, augstas intensitātes femtosekundes (10^-15 sekunžu) lāzera impulsu stars ir cieši fokusēts uz gāzveida mērķa materiālu. Ir vērts atzīmēt, ka femtosekundes lāzeri, kas līdzīgi attosekundu lāzeriem, ir raksturīgas īsu impulsa ilguma un augstas maksimālās jaudas īpašībām. Intensīvā lāzera lauka ietekmē elektronus gāzes atomos īslaicīgi atbrīvo no to atomu kodoliem, īslaicīgi nonākot brīvo elektronu stāvoklī. Tā kā šie elektroni svārstās, reaģējot uz lāzera lauku, viņi galu galā atgriežas pie vecāku atomu kodoliem un rekombinē, radot jaunus augstas enerģijas stāvokļus.

Šī procesa laikā elektroni pārvietojas ar ārkārtīgi lieliem ātrumiem, un, rekombinējot ar atomu kodoliem, tie izdala papildu enerģiju augstas harmonisku emisiju veidā, kas izpaužas kā augstas enerģijas fotoni.

Šo jaunizveidoto augstas enerģijas fotonu frekvences ir oriģinālās lāzera frekvences veseli skaitļi, veidojot to, kas tiek saukts par augstas kārtas harmonikām, kur "harmonikas" apzīmē frekvences, kas ir sākotnējās frekvences neatņemamas reizinātāji. Lai sasniegtu attosekundes lāzerus, ir nepieciešams filtrēt un koncentrēt šīs augstas kārtas harmonikas, izvēloties īpašas harmonikas un koncentrējot tās fokusa punktā. Ja vēlaties, impulsa saspiešanas paņēmieni var vēl vairāk saīsināt impulsa ilgumu, iegūstot īpaši īsus impulsus Atosecond diapazonā. Acīmredzot Atosekundes lāzeru paaudze ir sarežģīts un daudzšķautņains process, kas prasa augstu tehnisko veiklību un specializētu aprīkojumu.

Lai demistificētu šo sarežģīto procesu, mēs piedāvājam metaforisku paralēli, kas balstīta uz ikdienas scenārijiem:

Augstas intensitātes femtosekundes lāzera impulsi:

Ierodījums, kam ir ārkārtīgi spēcīga katapulta, kas spēj uzreiz spiest akmeņus ar kolosālu ātrumu, līdzīgi kā lomai, ko spēlē augstas intensitātes femtosekundes lāzera impulsi.

Gāzveida mērķa materiāls:

Attēli rāmīgs ūdens ķermenis, kas simbolizē gāzveida mērķa materiālu, kur katrs ūdens piliens apzīmē neskaitāmas gāzes atomus. Akmeņu dzenot šajā ūdens ķermenī, kas analogi atspoguļo augstas intensitātes femtosekundes lāzera impulsu ietekmi uz gāzveida mērķa materiālu.

Elektronu kustība un rekombinācija (fiziski saukta par pāreju):

Kad femtosekundes lāzera impulsi ietekmē gāzes atomus gāzveida mērķa materiālā, ievērojams skaits ārējo elektronu tiek īslaicīgi satraukti stāvoklī, kurā tie atdalās no attiecīgajiem atomu kodoliem, veidojot plazmai līdzīgu stāvokli. Tā kā sistēmas enerģija pēc tam samazinās (tā kā lāzera impulsi pēc būtības ir pulsēti, attēloti pārtraukšanas intervāli), šie ārējie elektroni atgriežas to atomu kodolu tuvumā, atbrīvojot augstas enerģijas fotonus.

Augsta harmoniskā paaudze:

Iedomājieties katru reizi, kad ūdens piliens nokrīt atpakaļ uz ezera virsmas, tas rada ripples, līdzīgi kā augstas harmonikas Atosekundes lāzeros. Šīm ripplēm ir augstākas frekvences un amplitūdas nekā sākotnējām ripplēm, ko izraisa primārais femtosekundes lāzera impulss. HHG procesa laikā jaudīgs lāzera stars, kas līdzīgs nepārtraukti mētāt akmeņus, apgaismo gāzes mērķi, kas atgādina ezera virsmu. Šis intensīvais lāzera lauks dzen elektronus gāzē, kas ir analogi ripplēm, prom no vecāku atomiem un pēc tam atvelk tos atpakaļ. Katru reizi, kad elektrons atgriežas pie atoma, tas izstaro jaunu lāzera staru ar augstāku frekvenci, kas ir līdzīga sarežģītākiem pulsācijas modeļiem.

Filtrēšana un fokusēšana:

Apvienojot visas šīs jaunizveidotās lāzera sijas, iegūst dažādu krāsu spektru (frekvences vai viļņu garumi), no kurām dažas veido dzīvojamo sekunžu lāzeru. Lai izolētu konkrētus pulsācijas izmērus un frekvences, varat izmantot specializētu filtru, līdzīgu vēlamo ripplu izvēlei un izmantot palielināmo stiklu, lai tos koncentrētu uz noteiktu apgabalu.

Impulsa saspiešana (ja nepieciešams):

Ja vēlaties izplatīties ātrāk un īsākos ripos, varat paātrināt to izplatīšanos, izmantojot specializētu ierīci, samazinot katru pulsāciju. Attosekundes lāzeru paaudze ietver sarežģītu procesu mijiedarbību. Tomēr, sadalot un vizualizējot, tas kļūst saprotamāks.