В значително съобщение вечерта на 3 октомври 2023 г. беше разкрита Нобеловата награда за физика за 2023 г., като признава изключителния принос на трима учени, които са играли основни роли като пионери в сферата на лазерната технология на Attosecond.

Терминът „атосекунда лазер“ извлича името си от невероятно краткия график, на който работи, по-специално в реда на атосекунди, съответстващ на 10^-18 секунди. За да се разбере дълбокото значение на тази технология, основното разбиране на това, което означава, че е от първостепенно значение. AttoSecond стои като изключително минутна единица време, представляваща един милиард от милиард от секунда в по -широкия контекст на една секунда. За да поставим това в перспектива, ако искахме да оприличим секунда на извисяваща се планина, атосекунда щеше да е сходно с едно зърно пясъчно, сгушено в основата на планината. В този мимолетен временен интервал дори светлината едва може да премине разстояние, еквивалентно на размера на отделен атом. Чрез използването на атосекундните лазери учените придобиват безпрецедентната способност да се проучат и манипулират сложната динамика на електроните в атомните структури, подобни на рамката по рамка бавно движение в кинематографична последователност, като по този начин се задълбочават в тяхното взаимодействие.

Атосекундни лазериПредставете кулминацията на обширни изследвания и съгласувани усилия на учените, които са използвали принципите на нелинейната оптика за изработване на ултрабързи лазери. Адвентът им ни предостави иновативна гледна точка за наблюдението и изследването на динамичните процеси, които се отнасят в атомите, молекулите и дори електроните в твърди материали.

За да се изяснят естеството на атосекундните лазери и да оценят техните нетрадиционни атрибути в сравнение с конвенционалните лазери, е наложително да се проучат тяхната категоризация в по -широкото „лазерно семейство“. Класификацията по дължина на вълната поставя атосекундните лазери предимно в обхвата на ултравиолетовите до меките рентгенови честоти, което означава своите забележително по-къси дължини на вълната за разлика от конвенционалните лазери. По отношение на режимите на изход, лазерите на атосекунда попадат в категорията импулсни лазери, характеризиращи се с техните изключително кратки продължителни импулсни. За да нарисувате аналогия за яснота, човек може да предвиди лазерите с непрекъсната вълна като сходен с фенерче, излъчващ непрекъснат лъч светлина, докато импулсните лазери приличат на строб светлина, бързо се редува между периодите на осветление и тъмнината. По същество, атосекундните лазери проявяват пулсиращо поведение в рамките на осветяването и тъмнината, но въпреки това преходът им между двете състояния се стига до изумителна честота, достигайки до сферата на атосекунди.

По-нататъшната категоризация от мощността поставя лазерите в скоби с ниска мощност, средна мощност и висока мощност. Атосекундните лазери постигат висока пикова мощност поради изключително късата си импулсна продължителност, което води до изразена пикова мощност (P) - дефинирана като интензивността на енергията за единица време (p = w/t). Въпреки че отделните атосекундни лазерни импулси може да не притежават изключително голяма енергия (W), тяхната съкратена времева степен (T) ги придава с повишена пикова мощност.

По отношение на домейните за приложения, лазерите обхващат спектър, обхващащ индустриални, медицински и научни приложения. Атосекундните лазери намират предимно своята ниша в сферата на научните изследвания, особено в изследването на бързо развиващите се явления в областта на физиката и химията, предлагайки прозорец в динамичните процеси на микрокосмичния свят.

Категоризацията чрез лазерни средни очертава лазерите като газови лазери, твърди лазери, течни лазери и полупроводникови лазери. Генерирането на атосекундните лазери обикновено зависи от газовите лазерни среди, като се възползват от нелинейните оптични ефекти за постигане на хармоници от висок ред.

В обобщението, атосекундните лазери представляват уникален клас с къси импулсни лазери, отличаващи се със своите изключително кратки импулсни продължителност, обикновено измерени в атосекундите. В резултат на това те са се превърнали в незаменими инструменти за наблюдение и контрол на ултрабърните динамични процеси на електрони в атоми, молекули и твърди материали.

Сложният процес на поколение на лазерното производство

Лазерната технология Attosecond стои начело на научните иновации, като се похвали с интригуващо строг набор от условия за своето поколение. За да изясним тънкостите на лазерното поколение на атосекундните, започваме с кратка експозиция на неговите основни принципи, последвани от ярки метафори, получени от ежедневните преживявания. Читателите, които не са представени в тънкостите на съответната физика, не трябва да се отчайват, тъй като последвалите метафори имат за цел да предоставят достъпната физика на атосекундните лазери.

Процесът на генериране на атосекундните лазери разчита предимно на техниката, известна като високо хармонично генериране (HHG). Първо, лъч от фемтосекунда с висока интензивност (10^-15 секунди) лазерни импулси е плътно фокусиран върху газообразен целеви материал. Струва си да се отбележи, че фемтосекундните лазери, сходни с атосекундните лазери, споделят характеристиките на притежаването на къса продължителност на импулса и висока пикова мощност. Под въздействието на интензивното лазерно поле електроните в газовите атоми се освобождават за момент от атомните си ядра, като входно влизат в състояние на свободни електрони. Тъй като тези електрони се колебаят 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 те отделят допълнителна енергия под формата на високи хармонични емисии, проявяващи се като високоенергийни фотони.

Честотите на тези новосъздадени високоенергийни фотони са цяло число множество от оригиналната лазерна честота, образувайки това, което се нарича хармоници от висок ред, където „хармониците“ обозначават честоти, които са интегрални множество от първоначалната честота. За да се постигнат лазери на AttoSecond, става необходимо да се филтрират и фокусират тези хармоници от висок ред, като се изберат специфични хармоници и се концентрират във фокусна точка. Ако желаете, техниките за компресия на импулса могат допълнително да съкращават продължителността на импулса, като се получат ултра-къси импулси в обхвата на атосекундата. Очевидно генерирането на атосекундни лазери представлява сложен и многостранен процес, изискващ висока степен на техническа мъдрост и специализирано оборудване.

За да демистифицираме този сложен процес, ние предлагаме метафоричен паралел, основан в ежедневните сценарии:

Лазерни импулси с висока интензивност:

Предвиждайте притежаването на изключително мощен катапулт, способен да нахвърля мигновено камъни с колосални скорости, подобни на ролята, изиграна от високоинтензивни фемтосекундни лазерни импулси.

Газообразен целеви материал:

Представете спокойно водно тяло, което символизира газообразния целеви материал, където всяка капчица вода представлява безброй газови атоми. Актът за задвижване на камъни в това водно тяло, аналогично отразява въздействието на високоинтензивните фемтосекундни лазерни импулси върху газообразния целеви материал.

Движение на електрон и рекомбинация (физически наречен преход):

Когато фемтосекундните лазерни импулси влияят на газовите атоми в газообразния целеви материал, значителен брой външни електрони за момент се вълнуват в състояние, в което те се отделят от съответните атомни ядра, образувайки плазмено състояние. Тъй като впоследствие енергията на системата намалява (тъй като лазерните импулси са по своята същност импулсирани, включващи интервали на прекратяване), тези външни електрони се връщат в близост до атомните ядра, отделяйки високоенергийни фотони.

Високо хармонично поколение:

Представете си всеки път, когато капчица от вода се връща към повърхността на езерото, тя създава пулсации, подобно на високите хармоници в лазерите на атосекундата. Тези пулсации имат по -високи честоти и амплитуди от оригиналните пулсации, причинени от основния фемтосекунтен лазерен импулс. По време на процеса на HHG, мощен лазерен лъч, подобен на непрекъснато хвърляне на камъни, осветява газова цел, наподобяваща повърхността на езерото. Това интензивно лазерно поле задвижва електрони в газа, аналогично на пулсациите, далеч от родителските им атоми и след това ги дърпа назад. Всеки път, когато електрон се връща към атома, той излъчва нов лазерен лъч с по -висока честота, подобно на по -сложни модели на пулсации.

Филтриране и фокусиране:

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

Импулсна компресия (ако е необходимо):

Ако се стремите да разпространявате пулсации по -бързо и по -къси, можете да ускорите тяхното разпространение с помощта на специализирано устройство, намалявайки времето, което всяка пулсация продължава. Генерирането на атосекундните лазери включва сложно взаимодействие на процесите. Въпреки това, когато се разрушат и визуализират, той става по -разбираем.