Във важно съобщение вечерта на 3 октомври 2023 г. беше открита Нобеловата награда по физика за 2023 г., признавайки изключителния принос на трима учени, които са изиграли ключова роля като пионери в сферата на атосекундната лазерна технология.

Терминът "атосекунден лазер" получава името си от невероятно кратката времева скала, върху която работи, по-специално в порядъка на атосекунди, съответстващи на 10^-18 секунди. За да разберем дълбокото значение на тази технология, фундаменталното разбиране на това какво означава една атосекунда е от първостепенно значение. Атосекунда е изключително минутна единица време, съставляваща една милиардна от милиардната част от секундата в по-широкия контекст на една секунда. За да поставим това в перспектива, ако трябва да оприличим секунда на извисяваща се планина, една атосекунда би била подобна на едно зърно пясък, сгушено в основата на планината. В този мимолетен времеви интервал дори светлината едва може да измине разстояние, еквивалентно на размера на отделен атом. Чрез използването на атосекундни лазери учените придобиват безпрецедентната способност да изследват и манипулират сложната динамика на електроните в атомните структури, подобно на забавено възпроизвеждане кадър по кадър в кинематографична последователност, като по този начин се задълбочават в тяхното взаимодействие.

Атосекундни лазерипредставляват кулминацията на обширни изследвания и съгласувани усилия на учени, които са впрегнали принципите на нелинейната оптика за създаване на свръхбързи лазери. Появата им ни предостави новаторска гледна точка за наблюдение и изследване на динамичните процеси, протичащи в атомите, молекулите и дори електроните в твърдите материали.

За да се изясни природата на атосекундните лазери и да се оценят техните нетрадиционни характеристики в сравнение с конвенционалните лазери, е наложително да се проучи тяхната категоризация в рамките на по-широкото „лазерно семейство“. Класификацията по дължина на вълната поставя атосекундните лазери предимно в диапазона от ултравиолетови до меки рентгенови честоти, което означава, че техните значително по-къси дължини на вълните за разлика от конвенционалните лазери. По отношение на изходните режими, атосекундните лазери попадат в категорията на импулсните лазери, характеризиращи се с изключително кратката си продължителност на импулса. За да се направи аналогия за по-голяма яснота, може да се предвидят лазери с непрекъсната вълна като фенерче, излъчващо непрекъснат лъч светлина, докато импулсните лазери приличат на светлинен строб, бързо редуващ периоди на осветяване и тъмнина. По същество атосекундните лазери показват пулсиращо поведение в рамките на осветеността и тъмнината, но техният преход между двете състояния се осъществява с удивителна честота, достигайки царството на атосекундите.

Допълнителна категоризация по мощност поставя лазерите в групи с ниска мощност, средна мощност и висока мощност. Атосекундните лазери постигат висока пикова мощност поради изключително кратките си импулсни продължителности, което води до изразена пикова мощност (P) – дефинирана като интензитет на енергия за единица време (P=W/t). Въпреки че отделните атосекундни лазерни импулси може да не притежават изключително голяма енергия (W), техният съкратен времеви обхват (t) им придава повишена пикова мощност.

По отношение на областите на приложение, лазерите обхващат спектър, включващ индустриални, медицински и научни приложения. Атосекундните лазери намират своята ниша предимно в областта на научните изследвания, особено в изследването на бързо развиващи се явления в областта на физиката и химията, предлагайки прозорец към бързите динамични процеси на микрокосмическия свят.

Категоризацията по лазерна среда разграничава лазерите като газови лазери, лазери в твърдо състояние, течни лазери и полупроводникови лазери. Генерирането на атосекундни лазери обикновено зависи от газови лазерни носители, като се възползват от нелинейни оптични ефекти, за да генерират хармоници от висок порядък.

В обобщение, атосекундните лазери представляват уникален клас лазери с къс импулс, отличаващи се с изключително кратката си продължителност на импулса, обикновено измервана в атосекунди. В резултат на това те се превърнаха в незаменими инструменти за наблюдение и контролиране на свръхбързите динамични процеси на електрони в атоми, молекули и твърди материали.

Сложният процес на атосекундно лазерно генериране

Attosecond лазерната технология стои в челните редици на научните иновации, като се гордее с интригуващо строг набор от условия за своето генериране. За да изясним тънкостите на атосекундното лазерно генериране, ние започваме със сбито изложение на неговите основни принципи, последвано от ярки метафори, извлечени от ежедневния опит. Читателите, които не са запознати с тънкостите на съответната физика, не трябва да се отчайват, тъй като последващите метафори имат за цел да направят достъпна основната физика на атосекундните лазери.

Процесът на генериране на атосекундни лазери разчита предимно на техниката, известна като генериране на високи хармоници (HHG). Първо, лъч от високоинтензивни фемтосекундни (10^-15 секунди) лазерни импулси е плътно фокусиран върху газообразен целеви материал. Струва си да се отбележи, че фемтосекундните лазери, подобни на атосекундните лазери, споделят характеристиките на притежаване на кратка продължителност на импулса и висока пикова мощност. Под въздействието на интензивното лазерно поле, електроните в газовите атоми моментално се освобождават от техните атомни ядра, временно навлизайки в състояние на свободни електрони. Тъй като тези електрони осцилират в отговор на лазерното поле, те в крайна сметка се връщат и рекомбинират с техните родителски атомни ядра, създавайки нови високоенергийни състояния.

По време на този процес електроните се движат с изключително високи скорости и при рекомбинация с атомните ядра освобождават допълнителна енергия под формата на високи хармонични емисии, проявяващи се като високоенергийни фотони.

Честотите на тези новогенерирани високоенергийни фотони са цели кратни на оригиналната лазерна честота, образувайки това, което се нарича хармоници от висок порядък, където "хармоници" означава честоти, които са кратни на оригиналната честота. За да се постигнат атосекундни лазери, става необходимо да се филтрират и фокусират тези хармоници от висок ред, като се избират специфични хармоници и се концентрират във фокусна точка. Ако желаете, техниките за компресиране на импулсите могат допълнително да съкратят продължителността на импулса, давайки ултра-къси импулси в атосекундния диапазон. Очевидно генерирането на атосекундни лазери представлява сложен и многостранен процес, изискващ висока степен на техническа мощ и специализирано оборудване.

За да демистифицираме този сложен процес, предлагаме метафоричен паралел, основан на ежедневни сценарии:

Високоинтензивни фемтосекундни лазерни импулси:

Представете си притежаването на изключително мощен катапулт, способен мигновено да хвърля камъни с колосални скорости, подобно на ролята, която играят фемтосекундните лазерни импулси с висок интензитет.

Газообразен целеви материал:

Представете си спокойно водно тяло, което символизира газообразния целеви материал, където всяка капка вода представлява безброй газови атоми. Актът на задвижване на камъни в това водно тяло аналогично отразява въздействието на фемтосекундни лазерни импулси с висока интензивност върху газообразния целеви материал.

Електронно движение и рекомбинация (физически наречен преход):

Когато фемтосекундните лазерни импулси въздействат върху газовите атоми в газообразния целеви материал, значителен брой външни електрони моментално се възбуждат до състояние, в което се отделят от съответните си атомни ядра, образувайки подобно на плазма състояние. Тъй като енергията на системата впоследствие намалява (тъй като лазерните импулси по своята същност са пулсиращи, включващи интервали на спиране), тези външни електрони се връщат в близост до атомните ядра, освобождавайки високоенергийни фотони.

Високо хармонично генериране:

Представете си, че всеки път, когато капка вода падне обратно на повърхността на езерото, тя създава вълни, подобно на високите хармоници в атосекундните лазери. Тези вълни имат по-високи честоти и амплитуди от оригиналните вълни, причинени от първичния фемтосекунден лазерен импулс. По време на HHG процеса мощен лазерен лъч, подобен на непрекъснато хвърляне на камъни, осветява газова цел, наподобяваща повърхността на езерото. Това интензивно лазерно поле задвижва електроните в газа, аналогично на вълните, далеч от техните родителски атоми и след това ги дърпа обратно. Всеки път, когато електрон се върне към атома, той излъчва нов лазерен лъч с по-висока честота, подобен на по-сложни модели на вълни.

Филтриране и фокусиране:

Комбинирането на всички тези новогенерирани лазерни лъчи дава спектър от различни цветове (честоти или дължини на вълните), някои от които съставляват атосекундния лазер. За да изолирате специфични размери и честоти на вълни, можете да използвате специализиран филтър, подобен на избирането на желани вълни, и да използвате лупа, за да ги фокусирате върху конкретна област.

Компресия на импулса (ако е необходимо):

Ако се стремите да разпространявате вълничките по-бързо и по-кратко, можете да ускорите разпространението им с помощта на специализирано устройство, намалявайки времето за продължителност на всяка вълничка. Генерирането на атосекундни лазери включва сложно взаимодействие на процеси. Когато обаче се разбие и визуализира, става по-разбираемо.