I en betydningsfuld meddelelse om aftenen den 3. oktober 2023 blev Nobelprisen i fysik for året 2023 afsløret, som anerkendelse af de fremragende bidrag fra tre videnskabsmænd, der har spillet afgørende roller som pionerer inden for attosecond laserteknologi.

Udtrykket "attosecond laser" har sit navn fra den utrolig korte tidsskala, den opererer på, specifikt i rækkefølgen af ​​attosekunder, svarende til 10^-18 sekunder. For at forstå den dybe betydning af denne teknologi er en grundlæggende forståelse af, hvad et attosekund betyder, altafgørende. Et attosekund står som en overordentlig lille tidsenhed, der udgør en milliardtedel af en milliardtedel af et sekund inden for den bredere kontekst af et enkelt sekund. For at sætte dette i perspektiv, hvis vi skulle sammenligne et sekund med et tårnhøjt bjerg, ville et attosekund være beslægtet med et enkelt sandkorn beliggende ved bjergets base. I dette flygtige tidsinterval kan selv lys næsten ikke krydse en afstand svarende til størrelsen af ​​et individuelt atom. Gennem brugen af ​​attosecond-lasere opnår videnskabsmænd den hidtil usete evne til at granske og manipulere elektronernes indviklede dynamik i atomare strukturer, beslægtet med en billed-for-frame slowmotion-gentagelse i en filmisk sekvens, og derved dykke ned i deres samspil.

Attosecond lasererepræsentere kulminationen af ​​omfattende forskning og samordnet indsats fra videnskabsmænd, som har udnyttet principperne for ikke-lineær optik til at fremstille ultrahurtige lasere. Deres fremkomst har givet os et innovativt udsigtspunkt for observation og udforskning af de dynamiske processer, der foregår i atomer, molekyler og endda elektroner i faste materialer.

For at belyse arten af ​​attosekundlasere og værdsætte deres ukonventionelle egenskaber i sammenligning med konventionelle lasere, er det bydende nødvendigt at udforske deres kategorisering inden for den bredere "laserfamilie". Klassificering efter bølgelængde placerer attosecond-lasere overvejende inden for rækkevidden af ​​ultraviolette til bløde røntgenfrekvenser, hvilket indikerer deres væsentligt kortere bølgelængder i modsætning til konventionelle lasere. Med hensyn til udgangstilstande falder attosecond-lasere under kategorien pulserende lasere, kendetegnet ved deres overordentlig korte pulsvarighed. For at drage en analogi for klarheden kan man forestille sig kontinuerlige bølgelasere som beslægtet med en lommelygte, der udsender en kontinuerlig lysstråle, mens pulserende lasere ligner et stroboskoplys, der hurtigt veksler mellem perioder med belysning og mørke. I det væsentlige udviser attosecond-lasere en pulserende adfærd i belysningen og mørket, men deres overgang mellem de to tilstande sker med en forbløffende frekvens og når attosekundernes rige.

Yderligere kategorisering efter effekt placerer lasere i lav-, mellem- og højeffekt beslag. Attosecond-lasere opnår høj spidseffekt på grund af deres ekstremt korte pulsvarighed, hvilket resulterer i en udtalt spidseffekt (P) – defineret som intensiteten af ​​energi pr. tidsenhed (P=W/t). Selvom individuelle attosekund-laserimpulser måske ikke har usædvanlig stor energi (W), giver deres forkortede tidsmæssige udstrækning (t) dem forhøjet spidseffekt.

Med hensyn til applikationsdomæner spænder lasere over et spektrum, der omfatter industrielle, medicinske og videnskabelige applikationer. Attosecond-lasere finder primært deres niche inden for videnskabelig forskning, især i udforskningen af ​​hurtigt udviklende fænomener inden for fysik og kemi, og tilbyder et vindue ind i den mikrokosmiske verdens hurtige dynamiske processer.

Kategorisering efter lasermedium afgrænser lasere som gaslasere, faststoflasere, flydende lasere og halvlederlasere. Genereringen af ​​attosecond-lasere afhænger typisk af gaslasermedier og udnytter ikke-lineære optiske effekter for at frembringe harmoniske af høj orden.

Sammenfattende udgør attosecond-lasere en unik klasse af kortpulslasere, kendetegnet ved deres ekstraordinært korte pulsvarigheder, typisk målt i attosekunder. Som et resultat er de blevet uundværlige værktøjer til at observere og kontrollere de ultrahurtige dynamiske processer af elektroner i atomer, molekyler og faste materialer.

Den omfattende proces af Attosecond Laser Generation

Attosecond laserteknologi står i spidsen for videnskabelig innovation og kan prale af et spændende og strengt sæt betingelser for sin generation. For at belyse forviklingerne ved attosecond lasergenerering begynder vi med en kortfattet fremstilling af dens underliggende principper, efterfulgt af levende metaforer afledt af hverdagens oplevelser. Læsere, der ikke kender til den relevante fysiks forviklinger, behøver ikke at fortvivle, da de efterfølgende metaforer sigter mod at gøre den grundlæggende fysik af attosekundslasere tilgængelig.

Genereringsprocessen for attosecond-lasere er primært afhængig af teknikken kendt som High Harmonic Generation (HHG). For det første fokuseres en stråle af femtosekunders (10^-15 sekunder) højintensitets laserimpulser tæt på et gasformigt målmateriale. Det er værd at bemærke, at femtosekundlasere, beslægtet med attosekundslasere, deler egenskaberne ved at have korte pulsvarigheder og høj spidseffekt. Under påvirkning af det intense laserfelt frigøres elektroner i gasatomerne kortvarigt fra deres atomkerner og går forbigående ind i en tilstand af frie elektroner. Da disse elektroner oscillerer som reaktion på laserfeltet, vender de til sidst tilbage til og rekombinerer med deres moderatomkerner, hvilket skaber nye højenergitilstande.

Under denne proces bevæger elektroner sig med ekstremt høje hastigheder, og ved rekombination med atomkernerne frigiver de yderligere energi i form af høje harmoniske emissioner, der manifesterer sig som højenergifotoner.

Frekvenserne af disse nyligt genererede højenergifotoner er heltals multipla af den oprindelige laserfrekvens, der danner det, der kaldes højordens harmoniske, hvor "harmoniske" betegner frekvenser, der er integrale multipla af den oprindelige frekvens. For at opnå attosecond lasere bliver det nødvendigt at filtrere og fokusere disse højordens harmoniske, vælge specifikke harmoniske og koncentrere dem til et brændpunkt. Hvis det ønskes, kan pulskompressionsteknikker yderligere forkorte pulsvarigheden, hvilket giver ultrakorte pulser i attosekundområdet. Åbenbart udgør genereringen af ​​attosecond-lasere en sofistikeret og mangefacetteret proces, der kræver en høj grad af teknisk dygtighed og specialiseret udstyr.

For at afmystificere denne indviklede proces tilbyder vi en metaforisk parallel funderet i hverdagsscenarier:

Femtosekund-laserpulser med høj intensitet:

Forestil dig at besidde en usædvanlig potent katapult, der er i stand til øjeblikkeligt at kaste sten med kolossale hastigheder, svarende til den rolle, der spilles af højintensive femtosekund-laserimpulser.

Gasformigt målmateriale:

Forestil dig en rolig vandmasse, der symboliserer det gasformige målmateriale, hvor hver dråbe vand repræsenterer utallige gasatomer. Handlingen med at drive sten ind i denne vandmasse afspejler analogt virkningen af ​​højintensive femtosekundlaserimpulser på det gasformige målmateriale.

Elektronbevægelse og rekombination (fysisk betegnet overgang):

Når femtosekund-laserimpulser påvirker gasatomerne i det gasformige målmateriale, exciteres et betydeligt antal ydre elektroner momentant til en tilstand, hvor de løsnes fra deres respektive atomkerner og danner en plasmalignende tilstand. Efterhånden som systemets energi efterfølgende formindskes (da laserimpulserne i sagens natur er pulserede, med intervaller for ophør), vender disse ydre elektroner tilbage til deres nærhed af atomkernerne og frigiver højenergifotoner.

Høj harmonisk generation:

Forestil dig, at hver gang en vanddråbe falder tilbage til søens overflade, skaber den krusninger, ligesom høje harmoniske i attosekundlasere. Disse krusninger har højere frekvenser og amplituder end de oprindelige krusninger forårsaget af den primære femtosekund laserpuls. Under HHG-processen oplyser en kraftig laserstråle, der ligner kontinuerligt at kaste sten, et gasmål, der ligner søens overflade. Dette intense laserfelt driver elektroner i gassen, analogt med krusninger, væk fra deres moderatomer og trækker dem derefter tilbage. Hver gang en elektron vender tilbage til atomet, udsender den en ny laserstråle med en højere frekvens, beslægtet med mere indviklede krusningsmønstre.

Filtrering og fokusering:

Kombination af alle disse nyligt genererede laserstråler giver et spektrum af forskellige farver (frekvenser eller bølgelængder), hvoraf nogle udgør attosecond-laseren. For at isolere specifikke krusningsstørrelser og -frekvenser kan du bruge et specialiseret filter, svarende til at vælge de ønskede krusninger, og bruge et forstørrelsesglas til at fokusere dem på et specifikt område.

Pulskompression (hvis nødvendigt):

Hvis du sigter efter at udbrede krusninger hurtigere og kortere, kan du fremskynde deres udbredelse ved hjælp af en specialiseret enhed, hvilket reducerer den tid, hver krusning varer. Genereringen af ​​attosecond-lasere involverer et komplekst samspil af processer. Men når det nedbrydes og visualiseres, bliver det mere forståeligt.