У знакавым аб'яве вечарам 3 кастрычніка 2023 г. была абвешчана Нобелеўская прэмія па фізіцы за 2023 год, якая прызнала выбітны ўклад трох навукоўцаў, якія адыгралі ключавыя ролі ў якасці піянераў у галіне атасекундных лазерных тэхналогій.

Тэрмін "атасекундны лазер" атрымаў сваю назву ад неверагодна кароткай шкалы часу, на якой ён працуе, у прыватнасці, у парадку атасекунд, што адпавядае 10^-18 секундам. Каб зразумець глыбокае значэнне гэтай тэхналогіі, фундаментальнае разуменне таго, што азначае атасекунда, мае першараднае значэнне. Атасекунда - гэта вельмі дробная адзінка часу, якая складае адну мільярдную долю мільярднай долі секунды ў больш шырокім кантэксце адной секунды. Каб паказаць гэта ў перспектыве, калі б мы параўналі секунду з высокай гарой, атасекунда была б падобная да адной пясчынкі, якая ляжыць у падножжа гары. У гэтым мімалётным прамежку часу нават святло ледзь можа прайсці адлегласць, эквівалентную памеру асобнага атама. Дзякуючы выкарыстанню атасекундных лазераў навукоўцы атрымліваюць беспрэцэдэнтную магчымасць уважліва вывучаць і маніпуляваць складанай дынамікай электронаў у атамных структурах, што падобна на запаволенае пакадравае прайграванне ў кінематаграфічнай паслядоўнасці, паглыбляючыся ў іх узаемадзеянне.

Атасекундныя лазерыуяўляюць сабой кульмінацыю шырокіх даследаванняў і ўзгодненых намаганняў навукоўцаў, якія выкарысталі прынцыпы нелінейнай оптыкі для стварэння звышхуткіх лазераў. Іх з'яўленне дало нам наватарскі пункт гледжання для назірання і даследавання дынамічных працэсаў, якія адбываюцца ў атамах, малекулах і нават электронах у цвёрдых матэрыялах.

Каб высветліць прыроду атасекундных лазераў і ацаніць іх нетрадыцыйныя ўласцівасці ў параўнанні са звычайнымі лазерамі, вельмі важна вывучыць іх класіфікацыю ў больш шырокім "сямействе лазераў". Класіфікацыя па даўжыні хвалі размяшчае атасекундныя лазеры пераважна ў дыяпазоне частот ад ультрафіялету да мяккага рэнтгенаўскага выпраменьвання, што азначае іх значна меншую даўжыню хвалі ў адрозненне ад звычайных лазераў. З пункту гледжання рэжымаў выхаду, атасекундныя лазеры адносяцца да катэгорыі імпульсных лазераў, якія характарызуюцца надзвычай кароткай працягласцю імпульсу. Каб правесці аналогію для яснасці, можна ўявіць бесперапынныя лазеры як падобныя 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 пульсацыйныя паводзіны ў асвятленні і цемры, але іх пераход паміж двума станамі адбываецца з дзіўнай частатой, дасягаючы вобласці атасекунд.

Далейшая класіфікацыя па магутнасці раздзяляе лазеры на маламагутныя, сярэдняй і высокай магутнасці. Атасекундныя лазеры дасягаюць высокай пікавай магутнасці з-за надзвычай кароткай працягласці імпульсу, што прыводзіць да ярка выяўленай пікавай магутнасці (P) - вызначаецца як інтэнсіўнасць энергіі ў адзінку часу (P=W/t). Хоць асобныя атасекундныя лазерныя імпульсы могуць не валодаць выключна вялікай энергіяй (Вт), іх скарочаная часовая працягласць (t) надае ім павышаную пікавую магутнасць.

З пункту гледжання вобласці прымянення лазеры ахопліваюць шырокі спектр прамысловых, медыцынскіх і навуковых прымянення. Атасекундныя лазеры ў першую чаргу знаходзяць сваю нішу ў сферы навуковых даследаванняў, асабліва ў даследаванні хутка развіваюцца з'яў у галіне фізікі і хіміі, прапаноўваючы акно ў хуткія дынамічныя працэсы мікракасмічнага свету.

Класіфікацыя па лазерных асяроддзях падзяляе лазеры на газавыя, цвёрдацельныя, вадкасныя і паўправадніковыя. Генерацыя атасекундных лазераў звычайна залежыць ад газавых лазерных асяроддзяў, якія выкарыстоўваюць нелінейныя аптычныя эфекты для стварэння гармонік высокага парадку.

Падводзячы вынік, атасекундныя лазеры складаюць унікальны клас лазераў з кароткім імпульсам, якія адрозніваюцца незвычайна кароткай працягласцю імпульсу, якая звычайна вымяраецца ў атасекундах. У выніку яны сталі незаменнымі інструментамі для назірання і кіравання звышхуткімі дынамічнымі працэсамі электронаў у атамах, малекулах і цвёрдых матэрыялах.

Складаны працэс атасекунднай лазернай генерацыі

Лазерная тэхналогія Attosecond знаходзіцца ў авангардзе навуковых інавацый і можа пахваліцца інтрыгуюча строгім наборам умоў для яе стварэння. Каб растлумачыць тонкасці атасекунднай лазернай генерацыі, мы пачнем з сціслага выкладу асноўных прынцыпаў, за якімі ідуць яркія метафары, узятыя з паўсядзённага вопыту. Чытачам, якія не дасведчаныя ў тонкасцях адпаведнай фізікі, не трэба адчайвацца, бо наступныя метафары накіраваны на тое, каб зрабіць асноватворную фізіку атасекундных лазераў даступнай.

Працэс генерацыі атасекундных лазераў у асноўным абапіраецца на метад, вядомы як генерацыя высокіх гармонік (HHG). Па-першае, прамень высокаінтэнсіўных фемтасекундных (10^-15 секунд) лазерных імпульсаў шчыльна факусуюць на газападобны матэрыял мішэні. Варта адзначыць, што фемтасекундныя лазеры, падобныя на атасекундныя лазеры, валодаюць кароткай працягласцю імпульсу і высокай пікавай магутнасцю. Пад уздзеяннем інтэнсіўнага лазернага поля электроны ўнутры атамаў газу імгненна вызваляюцца ад сваіх атамных ядраў, часова пераходзячы ў стан свабодных электронаў. Калі гэтыя электроны вагаюцца ў адказ на лазернае поле, яны ў канчатковым выніку вяртаюцца да бацькоўскіх атамных ядраў і рэкамбінуюць з імі, ствараючы новыя станы з высокай энергіяй.

Падчас гэтага працэсу электроны рухаюцца з надзвычай высокімі хуткасцямі, і пры рэкамбінацыі з атамнымі ядрамі яны вылучаюць дадатковую энергію ў выглядзе высокіх гарманічных выпраменьванняў, якія выяўляюцца ў выглядзе фатонаў высокай энергіі.

Частаты гэтых нядаўна згенераваных высокаэнергетычных фатонаў з'яўляюцца цэлымі лікамі, кратнымі зыходнай частаце лазера, утвараючы так званыя гармонікі высокага парадку, дзе "гармонікі" абазначаюць частоты, кратныя зыходнай частаце. Каб атрымаць атасекундныя лазеры, неабходна адфільтраваць і сфакусаваць гэтыя гармонікі высокага парадку, выбраўшы пэўныя гармонікі і засяродзіўшы іх у фокусе. Пры жаданні метады сціску імпульсу могуць яшчэ больш скараціць працягласць імпульсу, даючы звышкароткія імпульсы ў атасекундным дыяпазоне. Відавочна, што стварэнне атасекундных лазераў уяўляе сабой складаны і шматгранны працэс, які патрабуе высокай ступені тэхнічнага майстэрства і спецыяльнага абсталявання.

Каб дэмістыфікаваць гэты заблытаны працэс, мы прапануем метафарычную паралель, заснаваную на штодзённых сцэнарыях:

Высокаінтэнсіўныя фемтасекундныя лазерныя імпульсы:

Уявіце, што вы валодаеце выключна магутнай катапультай, здольнай імгненна кідаць камяні на каласальных хуткасцях, падобна ролі, якую адыгрываюць фемтасекундныя лазерныя імпульсы высокай інтэнсіўнасці.

Газападобны матэрыял мішэні:

Уявіце спакойны вадаём, які сімвалізуе газападобны матэрыял мішэні, дзе кожная кропля вады ўяўляе мірыяды атамаў газу. Акт падштурхоўвання камянёў у гэты вадаём аналагічна адлюстроўвае ўздзеянне фемтасекундных лазерных імпульсаў высокай інтэнсіўнасці на газападобны матэрыял мішэні.

Рух і рэкамбінацыя электронаў (фізічна названы пераходам):

Калі фемтасекундныя лазерныя імпульсы ўздзейнічаюць на атамы газу ўнутры газападобнага матэрыялу мішэні, значная колькасць знешніх электронаў імгненна ўзбуджаецца да стану, калі яны адрываюцца ад адпаведных атамных ядраў, утвараючы плазмападобны стан. Калі энергія сістэмы пасля памяншаецца (паколькі лазерныя імпульсы па сваёй сутнасці з'яўляюцца імпульснымі, з перыядычнымі перапынкамі), гэтыя вонкавыя электроны вяртаюцца ў наваколлі атамных ядраў, вызваляючы фатоны высокай энергіі.

Генерацыя высокай гармонікі:

Уявіце, што кожны раз, калі кропля вады падае на паверхню возера, яна стварае рабізна, падобная на высокія гармонікі ў атасекундных лазерах. Гэтыя пульсацыі маюць больш высокія частоты і амплітуды, чым першапачатковыя пульсацыі, выкліканыя першасным фемтасекундным лазерным імпульсам. У працэсе ГВГ магутны лазерны прамень, падобны на бесперапыннае падкідванне камянёў, асвятляе газавую мішэнь, якая нагадвае паверхню возера. Гэта інтэнсіўнае лазернае поле рухае электроны ў газе, аналагічна рабізне, ад бацькоўскіх атамаў, а потым адцягвае 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 факусоўка:

Аб'яднанне ўсіх гэтых нядаўна згенераваных лазерных прамянёў дае спектр розных колераў (частот або даўжынь хваль), некаторыя з якіх складаюць атасекундны лазер. Каб ізаляваць пульсацыі пэўнага памеру і частоты, вы можаце выкарыстоўваць спецыялізаваны фільтр, падобны на выбар патрэбных пульсацый, і выкарыстоўваць павелічальнае шкло, каб сфакусаваць іх на пэўнай вобласці.

Кампрэсія імпульсу (пры неабходнасці):

Калі вы імкнецеся распаўсюджваць рабізны хутчэй і карацей, вы можаце паскорыць іх распаўсюджванне з дапамогай спецыялізаванай прылады, скарачаючы час працягласці кожнай рабізны. Генерацыя атасекундных лазераў прадугледжвае складанае ўзаемадзеянне працэсаў. Аднак калі разбіць і візуалізаваць, ён становіцца больш зразумелым.