Увечары 3 кастрычніка 2023 года была абвешчана Нобелеўская прэмія па фізіцы за 2023 год, якой адзначаны выдатны ўклад трох навукоўцаў, якія адыгралі ключавую ролю ў якасці піянераў у галіне атасекундных лазерных тэхналогій.

Тэрмін «атасекундны лазер» атрымаў сваю назву ад неверагодна кароткага прамежку часу, на якім ён працуе, а менавіта парадку атасекунд, што адпавядае 10^-18 секунд. Каб зразумець глыбокае значэнне гэтай тэхналогіі, неабходна фундаментальнае разуменне таго, што азначае атасекунда. Атасекунда — гэта надзвычай мізэрная адзінка часу, якая складае адну мільярдную мільярдную долю секунды ў больш шырокім кантэксце адной секунды. Каб зразумець гэта ў перспектыве, калі б мы параўналі секунду з высокай гарой, атасекунда была б падобная на адну пясчынку, размешчанай ля падножжа гары. У гэты мімалётны прамежак часу нават святло ледзь можа пераадолець адлегласць, эквівалентную памеру асобнага атама. Дзякуючы выкарыстанню атасекундных лазераў навукоўцы атрымліваюць беспрэцэдэнтную магчымасць вывучаць і маніпуляваць складанай дынамікай электронаў у атамных структурах, падобна да пакадравага запаволенага прайгравання ў кінематаграфічнай паслядоўнасці, тым самым паглыбляючыся ў іх узаемадзеянне.

Атасекундныя лазерыуяўляюць сабой кульмінацыю шырокіх даследаванняў і сумесных намаганняў навукоўцаў, якія выкарысталі прынцыпы нелінейнай оптыкі для стварэння звышхуткіх лазераў. Іх з'яўленне дало нам інавацыйную магчымасць назіраць і даследаваць дынамічныя працэсы, якія адбываюцца ўнутры атамаў, малекул і нават электронаў у цвёрдых матэрыялах.

Каб высветліць прыроду атасекундных лазераў і ацаніць іх незвычайныя ўласцівасці ў параўнанні з традыцыйнымі лазерамі, неабходна даследаваць іх класіфікацыю ў больш шырокім «сямействе лазераў». Класіфікацыя па даўжыні хвалі размяшчае атасекундныя лазеры пераважна ў дыяпазоне ад ультрафіялетавага да мяккага рэнтгенаўскага выпраменьвання, што азначае іх значна меншыя даўжыні хваль у параўнанні з традыцыйнымі лазерамі. З пункту гледжання выходных рэжымаў, атасекундныя лазеры адносяцца да катэгорыі імпульсных лазераў, якія характарызуюцца надзвычай кароткай працягласцю імпульсаў. Для яснасці можна ўявіць сабе лазеры бесперапыннай хвалі падобнымі на ліхтарык, які выпраменьвае бесперапынны прамень святла, у той час як імпульсныя лазеры нагадваюць страбаскоп, які хутка чаргуе перыяды асвятлення і цемры. Па сутнасці, атасекундныя лазеры дэманструюць пульсуючыя паводзіны ў асвятленні і цемры, але іх пераход паміж гэтымі двума станамі адбываецца з дзіўнай частатой, дасягаючы вобласці атасекунд.

Далейшая класіфікацыя па магутнасці размяшчае лазеры на нізкай, сярэдняй і высокай магутнасці. Атасекундныя лазеры дасягаюць высокай пікавай магутнасці дзякуючы надзвычай кароткай працягласці імпульсаў, што прыводзіць да выяўленай пікавай магутнасці (P), якая вызначаецца як інтэнсіўнасць энергіі ў адзінку часу (P=Вт/t). Нягледзячы на ​​тое, што асобныя атасекундныя лазерныя імпульсы могуць не валодаць выключна вялікай энергіяй (Вт), іх скарочаная часовая працягласць (t) надае ім павышаную пікавую магутнасць.

Што тычыцца абласцей прымянення, лазеры ахопліваюць шырокі спектр прамысловых, медыцынскіх і навуковых прымяненняў. Атасекундныя лазеры ў першую чаргу знаходзяць сваю нішу ў сферы навуковых даследаванняў, асабліва ў вывучэнні хутка развіваючыхся з'яў у галінах фізікі і хіміі, адкрываючы акно ў хуткія дынамічныя працэсы мікракосмасу.

Класіфікацыя па лазерным асяроддзі падзяляе лазеры на газавыя лазеры, цвёрдацельныя лазеры, вадкасныя лазеры і паўправадніковыя лазеры. Генерацыя атасекундных лазераў звычайна заснавана на газавых лазерных асяроддзі, выкарыстоўваючы нелінейныя аптычныя эфекты для стварэння высокіх гармонік.

Карацей кажучы, атасекундныя лазеры ўяўляюць сабой унікальны клас кароткаімпульсных лазераў, якія адрозніваюцца надзвычай кароткай працягласцю імпульсаў, якая звычайна вымяраецца ў атасекундах. У выніку яны сталі незаменнымі інструментамі для назірання і кантролю звышхуткіх дынамічных працэсаў электронаў у атамах, малекулах і цвёрдых матэрыялах.

Складаны працэс генерацыі атасекунднага лазера

Тэхналогія атасекундных лазераў знаходзіцца на пярэднім краі навуковых інавацый, характэрных для яе генерацыі, і характарызуецца надзвычай строгім наборам умоў. Каб растлумачыць складанасці генерацыі атасекундных лазераў, мы пачнем з кароткага выкладу яе асноўных прынцыпаў, а затым прывядзем да яркіх метафар, атрыманых з паўсядзённага вопыту. Чытачам, якія не знаёмыя з тонкасцямі адпаведнай фізікі, не варта адчайвацца, бо наступныя метафары маюць на мэце зрабіць асноўную фізіку атасекундных лазераў даступнай.

Працэс генерацыі атасекундных лазераў у асноўным абапіраецца на тэхніку, вядомую як генерацыя высокіх гармонік (ГВГ). Па-першае, прамень высокаінтэнсіўных фемтасекундных (10^-15 секунд) лазерных імпульсаў шчыльна факусуецца на газападобным матэрыяле-мішэні. Варта адзначыць, што фемтасекундныя лазеры, падобныя да атасекундных лазераў, маюць такія характарыстыкі, як кароткая працягласць імпульсаў і высокая пікавая магутнасць. Пад уздзеяннем інтэнсіўнага лазернага поля электроны ў атамах газу на імгненне вызваляюцца са сваіх атамных ядраў, часова пераходзячы ў стан свабодных электронаў. Па меры таго, як гэтыя электроны вагаюцца ў адказ на лазернае поле, яны ў рэшце рэшт вяртаюцца і рэкамбінуюцца са сваімі бацькоўскімі атамнымі ядрамі, ствараючы новыя высокаэнергетычныя станы.

Падчас гэтага працэсу электроны рухаюцца з надзвычай высокай хуткасцю, і пры рэкамбінацыі з атамнымі ядрамі яны вызваляюць дадатковую энергію ў выглядзе высокіх гарманічных выпраменьванняў, якія праяўляюцца ў выглядзе высокаэнергетычных фатонаў.

Частоты гэтых нядаўна згенераваных высокаэнергетычных фатонаў з'яўляюцца цэлымі кратнымі зыходнай лазернай частаты, утвараючы тое, што называецца гармонікамі высокага парадку, дзе «гармонікі» абазначаюць частоты, якія з'яўляюцца цэлымі кратнымі зыходнай частаты. Для атрымання атасекундных лазераў неабходна фільтраваць і факусаваць гэтыя гармонікі высокага парадку, выбіраючы пэўныя гармонікі і канцэнтруючы іх у фокуснай кропцы. Пры жаданні метады сціску імпульсаў могуць яшчэ больш скараціць працягласць імпульсу, што прывядзе да ультракароткіх імпульсаў у атасекундным дыяпазоне. Відавочна, што генерацыя атасекундных лазераў уяўляе сабой складаны і шматгранны працэс, які патрабуе высокай ступені тэхнічнага майстэрства і спецыялізаванага абсталявання.

Каб растлумачыць гэты складаны працэс, мы прапануем метафарычную паралель, заснаваную на паўсядзённых сітуацыях:

Высокаінтэнсіўныя фемтасекундныя лазерныя імпульсы:

Уявіце сабе надзвычай магутную катапульту, здольную імгненна кідаць камяні з каласальнай хуткасцю, падобную да ролі, якую адыгрываюць высокаінтэнсіўныя фемтасекундныя лазерныя імпульсы.

Газападобны мэтавы матэрыял:

Уявіце сабе спакойны вадаём, які сімвалізуе газападобны матэрыял-мішэнь, дзе кожная кропля вады ўяўляе сабой мірыяды атамаў газу. Акт кідання камянёў у гэты вадаём аналагічна адлюстроўвае ўздзеянне высокаінтэнсіўных фемтасекундных лазерных імпульсаў на газападобны матэрыял-мішэнь.

Рух і рэкамбінацыя электронаў (фізічна названы пераходам):

Калі фемтасекундныя лазерныя імпульсы ўздзейнічаюць на атамы газу ўнутры газападобнага матэрыялу-мішэні, значная колькасць знешніх электронаў на імгненне ўзбуджаецца да стану, у якім яны аддзяляюцца ад адпаведных атамных ядраў, утвараючы плазмападобны стан. Па меры таго, як энергія сістэмы паслядоўна памяншаецца (паколькі лазерныя імпульсы па сваёй сутнасці імпульсныя і маюць перыяды спынення), гэтыя знешнія электроны вяртаюцца да сваіх блізкіх атамных ядраў, вызваляючы высокаэнергетычныя фатоны.

Генерацыя высокіх гармонік:

Уявіце сабе, што кожны раз, калі кропля вады падае назад на паверхню возера, яна стварае рабізну, падобныя да высокіх гармонік у атасекундных лазерах. Гэтыя рабізны маюць больш высокія частаты і амплітуды, чым першапачатковыя рабізны, выкліканыя першасным фемтасекундным лазерным імпульсам. Падчас працэсу ГВГ магутны лазерны прамень, падобны да бесперапынна кіданых камянёў, асвятляе газавую мішэнь, якая нагадвае паверхню возера. Гэта інтэнсіўнае лазернае поле адштурхоўвае электроны ў газе, аналагічна рабізне, ад іх бацькоўскіх атамаў, а затым прыцягвае іх назад. Кожны раз, калі электрон вяртаецца да атама, ён выпраменьвае новы лазерны прамень з больш высокай частатой, падобны да больш складаных узораў рабізны.

Фільтраванне і факусаванне:

Спалучэнне ўсіх гэтых новых лазерных прамянёў дае спектр розных колераў (частот або даўжынь хваль), некаторыя з якіх складаюць атасекундны лазер. Каб вылучыць пэўныя памеры і частаты пульсацый, можна выкарыстоўваць спецыяльны фільтр, падобны да выбару патрэбных пульсацый, і выкарыстоўваць павелічальнае шкло, каб сфакусаваць іх на пэўнай вобласці.

Сцісканне імпульсаў (пры неабходнасці):

Калі вы імкнецеся да больш хуткага і карацейшага распаўсюджвання хваль, вы можаце паскорыць іх распаўсюджванне з дапамогай спецыялізаванай прылады, скараціўшы час, які доўжыцца кожная хваля. Генерацыя атасекундных лазераў уключае ў сябе складанае ўзаемадзеянне працэсаў. Аднак, калі разабраць і візуалізаваць, гэта становіцца больш зразумелым.