I en vigtig meddelelse om aftenen den 3. oktober 2023 blev Nobelprisen i fysik for året 2023 afsløret, idet de anerkendte de fremragende bidrag fra tre forskere, der har spillet centrale roller som pionerer inden for attosekund laserteknologi.

Udtrykket "Attosecond Laser" henter sit navn fra den utroligt korte tidsskala, den fungerer på, specifikt i rækkefølge af attosekunder, svarende til 10^-18 sekunder. For at forstå den dybe betydning af denne teknologi er en grundlæggende forståelse af, hvad en attoseekund betegner, altafgørende. Et attosekund står som en overordentlig minut af tidsenheden og udgør en milliarddel af en milliarddel af et sekund inden for den bredere kontekst på et enkelt sekund. For at sætte dette i perspektiv, hvis vi skulle sammenligne et sekund med et ruvende bjerg, ville et attosekund være beslægtet med et enkelt sandkorn, der ligger på bjergens base. I dette flygtige tidsmæssige interval kan selv lys næppe krydse en afstand svarende til størrelsen på et individuelt atom. Gennem anvendelsen af ​​attosecond-lasere får forskere den hidtil uset kapacitet til at undersøge og manipulere den komplicerede dynamik i elektroner inden for atomstrukturer, der ligner en ramme-for-ramme langsom bevægelse i en filmisk sekvens og derved dykke ned i deres samspil.

Attosecond -lasereRepræsentere kulminationen af ​​omfattende forskning og samordnet indsats fra forskere, der har udnyttet principperne for ikke -lineær optik til at skabe ultrahastiske lasere. Deres advent har givet os et innovativt udsigtspunkt for observation og udforskning af de dynamiske processer, der transporterer inden for atomer, molekyler og endda elektroner i faste materialer.

For at belyse arten af ​​attosekundlasere og værdsætte deres ukonventionelle attributter i sammenligning med konventionelle lasere, er det bydende nødvendigt at udforske deres kategorisering inden for den bredere "laserfamilie." Klassificering ved bølgelængde placerer attosekund lasere overvejende inden for området af ultraviolette til bløde røntgenfrekvenser, hvilket betegner deres især kortere bølgelængder i modsætning til konventionelle lasere. Med hensyn til outputtilstande falder attosekundlasere under kategorien af ​​pulserede lasere, kendetegnet ved deres overordentlig korte pulsvarighed. For at tegne en analogi for klarhed kan man forestille sig kontinuerlige bølgelasere som beslægtet med en lommelygte, der udsender en kontinuerlig lysstråle, mens pulserede lasere ligner et strobe lys, der hurtigt skifter mellem perioder med belysning og mørke. I det væsentlige udviser attosekund -lasere en pulserende opførsel inden for belysning og mørke, men alligevel viser deres overgang mellem de to stater med en forbløffende frekvens og når attosekunder.

Yderligere kategorisering ved hjælp af effekt placerer lasere i lav effekt, mellemkraft og højeffektbeslag. Attosecond -lasere opnår høj spidsstyrke på grund af deres ekstremt korte pulsvarighed, hvilket resulterer i en udtalt spidsstyrke (P) - defineret som intensiteten af ​​energi pr. Enhedstid (P = W/T). Selvom individuelle attosekund laserpulser muligvis ikke har en usædvanlig stor energi (W), giver deres forkortede tidsmæssige omfang (T) dem en forhøjet spidsstyrke.

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

Kategorisering ved lasermedium afgrænser lasere som gaslasere, lasere med fast tilstand, flydende lasere og halvlederlasere. Genereringen af ​​attosekundlasere hænger typisk på gaslasermedier, der kapitaliserer på ikke-lineære optiske effekter for at skabe høj orden harmonik.

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

Den detaljerede proces med attosecond lasergenerering

Attosecond -laserteknologi står i spidsen for videnskabelig innovation og kan prale af et spændende strengt sæt betingelser for sin generation. For at belyse de vanskeligheder ved attosekund lasergenerering begynder vi med en kortfattet redegørelse for dets underliggende principper, efterfulgt af levende metaforer afledt af hverdagens oplevelser. Læsere, der ikke er voveret i forviklingerne i den relevante fysik, behøver ikke fortvivlelse, da de efterfølgende metaforer sigter mod at gøre den grundlæggende fysik af attosekund lasere tilgængelige.

Generationsprocessen for attosekundlasere er primært afhængig af teknikken, der kaldes høj harmonisk generation (HHG). For det første er en stråle af højintensiv femtosekund (10^-15 sekunder) laserpulser tæt fokuseret på et gasformigt målmateriale. Det er værd at bemærke, at femtosekund lasere, der ligner attosekund lasere, deler egenskaberne ved at have korte pulsvarigheder og høj spidsstyrke. Under påvirkning af det intense laserfelt frigøres elektroner inden for gasatomerne øjeblikkeligt fra deres atomkerner, som kortvarigt går ind i en tilstand af frie elektroner. Da disse elektroner svinger som svar på laserfeltet, vender de til sidst tilbage til og rekombineres med deres forælderatomkerner, hvilket skaber nye højenergitilstande.

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

Frekvenserne af disse nyligt genererede højenergifotoner er heltalmultipler af den originale laserfrekvens, der danner det, der kaldes højordens harmonik, hvor "harmonik" angiver frekvenser, der er integrerede multipler af den originale frekvens. For at opnå attosekundlasere bliver det nødvendigt at filtrere og fokusere disse højordens harmoniske, valg af specifikke harmoniske og koncentrere dem til et samlingspunkt. Hvis det ønskes, kan pulskomprimeringsteknikker yderligere forkorte pulsvarigheden, hvilket giver ultra-short-pulser i attosekundsområdet. Tilsyneladende udgør genereringen af ​​attosekundlasere en sofistikeret og mangefacetteret proces, der kræver en høj grad af teknisk dygtighed og specialiseret udstyr.

For at afmystificere denne komplicerede proces tilbyder vi en metaforisk parallel jordet i hverdagens scenarier:

Højintensiv femtosekund laserpulser:

Forestilling, der besidder en usædvanligt potent katapult, der er i stand til øjeblikkeligt at kaste sten ved kolossale hastigheder, svarende til den rolle, der spilles af højintensiv femtosekund laserpulser.

Gasformigt målmateriale:

Forestil dig en rolig vandmasse, der symboliserer det gasformige målmateriale, hvor hver dråbe vand repræsenterer utallige gasatomer. Handlingen med at drive sten til denne krop af vand spejler analogt virkningen af ​​højintensiv femtosekund laserpulser på det gasformige målmateriale.

Elektronbevægelse og rekombination (fysisk betegnet overgang):

Når femtosekund laserpulser påvirker gasatomerne inden for det gasformige målmateriale, er et betydeligt antal ydre elektroner øjeblikkeligt begejstrede for en tilstand, hvor de løsner sig fra deres respektive atomkerner, hvilket danner en plasma-lignende tilstand. Efterhånden som systemets energi efterfølgende mindskes (da laserpulser i sig selv er pulserede, med intervaller af ophør), vender disse ydre elektroner tilbage til deres nærhed af de atomiske kerner, hvilket frigiver fotoner med høj energi.

Høj harmonisk generation:

Forestil dig hver gang en vanddråbe falder tilbage til søens overflade, det skaber krusninger, ligesom høje harmoniske i attosekund lasere. Disse krusninger har højere frekvenser og amplituder end de originale 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 forælderatomer og trækker dem derefter tilbage. Hver gang en elektron vender tilbage til atomet, udsender det en ny laserstråle med en højere frekvens, der ligner mere indviklede krusningsmønstre.

Filtrering og fokusering:

Ved at kombinere alle disse nyligt genererede laserbjælker giver et spektrum af forskellige farver (frekvenser eller bølgelængder), hvoraf nogle udgør attosekundlaseren. For at isolere specifikke krusningsstørrelser og frekvenser kan du anvende et specialiseret filter, der ligner valg af ønskede krusninger og anvende et forstørrelsesglas til at fokusere dem på et specifikt område.

Pulskomprimering (om nødvendigt):

Hvis du sigter mod at udbrede krusninger hurtigere og kortere, kan du fremskynde deres forplantning ved hjælp af en specialiseret enhed, hvilket reducerer den tid, hver krusning varer. Genereringen af ​​attosekundlasere involverer et komplekst samspil mellem processer. Når det er nedbrudt og visualiseret, bliver det imidlertid mere forståeligt.