Вечерта на 3 октомври 2023 г. беше обявена Нобеловата награда за физика за 2023 г., с която се признава изключителният принос на трима учени, изиграли ключова роля като пионери в областта на атосекундните лазерни технологии.

Терминът „атосекунден лазер“ произлиза от невероятно краткия времеви мащаб, в който работи, по-специално от порядъка на атосекунди, съответстващи на 10^-18 секунди. За да се разбере дълбокото значение на тази технология, е от първостепенно значение фундаменталното разбиране на това какво означава атосекундата. Атосекундата представлява изключително малка единица време, представляваща една милиардна от милиардната част от секундата в по-широкия контекст на една секунда. За да поставим това в перспектива, ако сравним секундата с извисяваща се планина, атосекундата би била подобна на едно-единствено песъчинка, сгушена 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 получават безпрецедентната способност да изследват и манипулират сложната динамика на електроните в атомните структури, подобно на кадър по кадър забавено възпроизвеждане в кинематографична последователност, като по този начин се задълбочават в тяхното взаимодействие.

Атосекундни лазерипредставляват кулминацията на обширни изследвания и съгласувани усилия от учени, които са използвали принципите на нелинейната оптика, за да създадат ултрабързи лазери. Тяхната поява ни предостави иновативна гледна точка за наблюдение и изследване на динамичните процеси, протичащи в атоми, молекули и дори електрони в твърди материали.

За да се изясни природата на атосекундните лазери и да се оценят техните неконвенционални качества в сравнение с конвенционалните лазери, е наложително да се проучи тяхната категоризация в рамките на по-широкото „семейство лазери“. Класификацията по дължина на вълната поставя атосекундните лазери предимно в диапазона от ултравиолетови до меки рентгенови честоти, което означава значително по-късите им дължини на вълните в сравнение с конвенционалните лазери. По отношение на режимите на изход, атосекундните лазери попадат в категорията на импулсните лазери, характеризиращи се с изключително кратката си продължителност на импулсите. За да се направи аналогия за по-голяма яснота, може да се представим като лазери с непрекъсната вълна като фенерче, излъчващо непрекъснат лъч светлина, докато импулсните лазери наподобяват стробоскоп, бързо редуващ се между периоди на осветление и тъмнина. По същество атосекундните лазери проявяват пулсиращо поведение в рамките на осветлението и тъмнината, но преходът им между двете състояния се осъществява с изумителна честота, достигайки до сферата на атосекундите.

По-нататъшното категоризиране по мощност поставя лазерите в групи с ниска, средна и висока мощност. Атосекундните лазери постигат висока пикова мощност поради изключително кратката си продължителност на импулсите, което води до ясно изразена пикова мощност (P) – дефинирана като интензитет на енергията за единица време (P=W/t). Въпреки че отделните атосекундни лазерни импулси може да не притежават изключително голяма енергия (W), съкратената им времева продължителност (t) им придава повишена пикова мощност.

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

Категоризацията по лазерна среда разделя лазерите на газови лазери, твърдотелни лазери, течни лазери и полупроводникови лазери. Генерирането на атосекундни лазери обикновено се основава на газови лазерни среди, като се възползва от нелинейни оптични ефекти, за да се генерират хармоници от висок порядък.

В обобщение, атосекундните лазери представляват уникален клас лазери с къси импулси, отличаващи се с изключително кратката си продължителност на импулсите, обикновено измервана в атосекунди. В резултат на това те са се превърнали в незаменими инструменти за наблюдение и контрол на ултрабързите динамични процеси на електрони в атоми, молекули и твърди материали.

Сложният процес на генериране на атосекунден лазер

Атосекундната лазерна технология е начело на научните иновации, като се гордее с интригуващо строг набор от условия за нейното генериране. За да изясним тънкостите на генерирането на атосекундни лазери, започваме с кратко изложение на основните му принципи, последвано от ярки метафори, извлечени от ежедневния опит. Читателите, които не са запознати със сложността на съответната физика, не е нужно да се отчайват, тъй като последващите метафори целят да направят основната физика на атосекундните лазери достъпна.

Процесът на генериране на атосекундни лазери се основава предимно на техниката, известна като Генериране на високи хармоници (HHG). Първо, лъч от високоинтензивни фемтосекундни (10^-15 секунди) лазерни импулси се фокусира плътно върху газообразен целеви материал. Струва си да се отбележи, че фемтосекундните лазери, подобни на атосекундните лазери, споделят характеристиките на кратка продължителност на импулсите и висока пикова мощност. Под въздействието на интензивното лазерно поле, електроните в газовите атоми се освобождават за момент от атомните си ядра, като временно навлизат в състояние на свободни електрони. Тъй като тези електрони осцилират в отговор на лазерното поле, те в крайна сметка се връщат и рекомбинират с родителските си 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 емисии на високи хармоници, проявяващи се като високоенергийни фотони.

Честотите на тези новогенерирани високоенергийни фотони са целочислени кратни на оригиналната лазерна честота, образувайки така наречените хармоници от висок порядък, където „хармоници“ означава честоти, които са целочислени кратни на оригиналната честота. За да се получат атосекундни лазери, е необходимо да се филтрират и фокусират тези хармоници от висок порядък, като се изберат специфични хармоници и се концентрират във фокусна точка. Ако е необходимо, техниките за компресия на импулси могат допълнително да съкратят продължителността на импулса, което води до ултракъси импулси в атосекундния диапазон. Очевидно е, че генерирането на атосекундни лазери представлява сложен и многостранен процес, изискващ висока степен на техническа компетентност и специализирано оборудване.

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

Високоинтензивни фемтосекундни лазерни импулси:

Представете си, че притежавате изключително мощен катапулт, способен мигновено да хвърля камъни с колосални скорости, подобно на ролята, която играят високоинтензивните фемтосекундни лазерни импулси.

Газообразен целеви материал:

Представете си спокоен воден басейн, който символизира газообразния целеви материал, където всяка капка вода представлява безброй газови атоми. Актът на хвърляне на камъни в този воден басейн аналогично отразява въздействието на високоинтензивни фемтосекундни лазерни импулси върху газообразния целеви материал.

Движение и рекомбинация на електрони (физически терминиран преход):

Когато фемтосекундни лазерни импулси въздействат върху газовите атоми в газообразния целеви материал, значителен брой външни електрони се възбуждат за момент до състояние, в което се отделят от съответните си атомни ядра, образувайки плазменоподобно състояние. Тъй като енергията на системата впоследствие намалява (тъй като лазерните импулси са по своята същност импулсни, характеризиращи се с интервали на прекъсване), тези външни електрони се връщат в близост до атомните ядра, освобождавайки високоенергийни фотони.

Генериране на високи хармоници:

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

Филтриране и фокусиране:

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

Компресия на импулса (ако е необходимо):

Ако целта ви е да разпространявате вълните по-бързо и да са по-къси, можете да ускорите разпространението им с помощта на специализирано устройство, намалявайки времето, през което всяка вълна трае. Генерирането на атосекундни лазери включва сложно взаимодействие на процеси. Когато обаче се анализира и визуализира, то става по-разбираемо.