У знамянальнай заяве вечарам 3 кастрычніка 2023 года была адкрыта Нобелеўская прэмія па фізіцы за 2023 год, прызнаючы выдатныя ўклады трох навукоўцаў, якія сыгралі галоўныя ролі ў якасці піянераў у сферы лазернай тэхналогіі Атосекунд.

Тэрмін "Attosecond Laser" паходзіць з неверагодна кароткага часу, на якім ён працуе, у прыватнасці, у парадку AttoseConds, які адпавядае 10^-18 секунд. Каб зразумець глыбокае значэнне гэтай тэхналогіі, асноўнае разуменне таго, што азначае Attosecond, з'яўляецца галоўным. Атасекунд выступае як надзвычай хвілінны блок часу, што складае мільярдую частку мільярдай секунды ў больш шырокім кантэксце адной секунды. Каб паставіць гэта ў перспектыве, калі б мы прыпадабнілі секунду з узвышанай гары, Атасекунд быў бы падобны на адзінае зерне пяску, размешчанага на базе гары. У гэтым мімалётным часовым інтэрвале нават святло практычна не можа перайсці на адлегласць, эквівалентную памеру асобнага атама. Дзякуючы выкарыстанню лазераў Attosecond, навукоўцы набываюць беспрэцэдэнтную здольнасць да ўважлівасці і маніпулявання мудрагелістай дынамікай электронаў у атамных структурах, падобных на прайграванне павольнага руху па рамках у кінематаграфічнай паслядоўнасці, тым самым паглыбляючыся ў іх узаемадзеянне.

Attosecond Lasersпрадстаўляюць кульмінацыю шырокіх даследаванняў і ўзгодненых намаганняў навукоўцаў, якія выкарыстоўвалі прынцыпы нелінейнай оптыкі для стварэння звышхуткасных лазераў. Іх Адвэнт забяспечыў нам інавацыйны пункт гледжання для назірання і вывучэння дынамічных працэсаў, якія пераліваюцца ў атамах, малекулах і нават электронах у цвёрдых матэрыялах.

Каб высветліць характар ​​лазераў Attosecond і ацаніць іх нетрадыцыйныя прыкметы ў параўнанні са звычайнымі лазерамі, неабходна вывучыць іх класіфікацыю ў шырокай "лазернай сям'і". Класіфікацыя па даўжыні хвалі размяшчае лазеры Attosecond пераважна ў межах ультрафіялетавага да мяккіх рэнтгенаўскіх частат, што азначае іх прыкметна больш кароткія даўжыні хваль у адрозненне ад звычайных лазераў. З пункту гледжання рэжымаў выхаду, лазеры Attosecond падпадаюць пад катэгорыю імпульсных лазераў, якія характарызуюцца іх надзвычай кароткай працягласцю імпульсу. Каб правесці аналогію для нагляднасці, можна прадугледзець лазеры бесперапыннай хвалі, як падобна на ліхтарык, які выпраменьвае бесперапынны прамень святла, у той час як імпульсныя лазеры нагадваюць строб, хутка чаргуючыся паміж перыядамі асвятлення і цемры. Па сутнасці, лазеры Attosecond выяўляюць пульсавальнае паводзіны ў асвятленні і цемры, але іх пераход паміж двума дзяржавамі пераўтвараецца з дзіўнай частатой, дасягаючы сферы атосекунд.

Далейшая катэгарызацыя электраэнергіяй размяшчае лазеры ў нізкую магутнасць, сярэднюю і высокую магутнасць. Лазеры Attosecond дасягаюць высокай пікавай магутнасці з -за іх надзвычай кароткай працягласці імпульсу, што прыводзіць да выяўленай пікавай магутнасці (P) - вызначанай як інтэнсіўнасць энергіі ў адзінку часу (P = W/T). Хоць індывідуальныя лазерныя імпульсы Attosecond могуць не валодаць выключна вялікай энергіяй (w), іх скарочаная часовая ступень (t) надае іх павышанай пікавай магутнасці.

З пункту гледжання даменаў прыкладанняў, лазеры ахопліваюць спектр, які ахоплівае прамысловыя, медыцынскія і навуковыя прыкладанні. Лазеры Attosecond у першую чаргу знаходзяць сваю нішу ў сферы навуковых даследаванняў, асабліва ў вывучэнні хутка развіваюцца з'яў у сферах фізікі і хіміі, прапаноўваючы акно ў мікракосмічныя дынамічныя працэсы мікракасмічнага свету.

Катэгарызацыя лазернай сярэдняй акрэсленай лазерам у выглядзе газавых лазераў, цвёрдацельных лазераў, вадкіх лазераў і паўправадніковых лазераў. Выпрацоўка лазераў Attosecond звычайна залежыць ад газавага лазернага асяроддзя, скарыстаючыся нелінейнымі аптычнымі эфектамі, каб выклікаць гармонікі высокага парадку.

Падводзячы вынікі, лазеры Attosecond складаюць унікальны клас кароткатэрміновых лазераў, якія адрозніваюцца па іх незвычайна кароткай працягласці імпульсу, звычайна вымяраецца ў Attoseconds. У выніку яны сталі неабходнымі інструментамі для назірання і кантролю над ультраўпарадкавымі дынамічнымі працэсамі электронаў у атамах, малекулах і цвёрдых матэрыялах.

Складаны працэс лазернага генерацыі Attosecond

Лазерная тэхналогія Attosecond стаіць на авангардзе навуковых інавацый, пахваліўшыся інтрыгуючым строгім наборам умоў для свайго пакалення. Каб высветліць тонкасці лазернага генерацыі Attosecond, мы пачынаем з лаканічнай экспазіцыі яго асноўных прынцыпаў, а затым яркія метафары, атрыманыя з паўсядзённага вопыту. Чытачы, якія не адбыліся ў тонкасцях адпаведнай фізікі, не павінны адчайвацца, бо наступныя метафары накіраваны на тое, каб зрабіць асноватворную фізіку атасекундных лазераў даступнай.

Працэс генерацыі лазераў Attosecond у першую чаргу абапіраецца на тэхніку, вядомае як высокае гарманічнае генерацыя (HHG). Па-першае, прамень з высокай інтэнсіўнасці фемтосекунд (10^-15 секунд) лазерныя імпульсы шчыльна сканцэнтраваны на газападобным мэтавым матэрыяле. Варта адзначыць, што фемтосекундныя лазеры, падобныя на лазеры Attosecond, падзяляюць характарыстыкі захоўвання кароткай працягласці імпульсу і высокай пікавай магутнасці. Пад уздзеяннем інтэнсіўнага лазернага поля электроны ў атамах газу імгненна вызваляюцца ад сваіх атамных ядраў, перамяшчаючы стан свабодных электронаў. Па меры таго, як гэтыя электроны вагаюцца ў адказ на лазернае поле, яны ў рэшце рэшт вяртаюцца і рэкамбінуюць з бацькамі атамных ядраў, ствараючы новыя высокаэнергетычныя стану.

Падчас гэтага працэсу электроны рухаюцца з надзвычай высокімі хуткасцямі, а пасля рэкамбінацыі з атамнымі ядрамі яны вылучаюць дадатковую энергію ў выглядзе высокіх гарманічных выкідаў, выяўляючы як высокаэнергетычныя фатоны.

Частата гэтых нядаўна створаных высокаэнергетычных фатонаў-гэта цэлыя краты з арыгінальнай лазернай частаты, утвараючы тое, што называюць гармонікамі высокага парадку, дзе "гармонікі" абазначае частоты, якія з'яўляюцца неад'емнымі мультысамі першапачатковай частоты. Для дасягнення лазераў Attosecond становіцца неабходным фільтраваць і засяроджвацца на гэтых гарманах высокага парадку, выбіраючы канкрэтныя гармонікі і канцэнтруючы іх у каардынацыйным цэнтры. Пры жаданні метады сціску імпульсу могуць яшчэ больш скароціць працягласць імпульсу, даючы ўльтра-кароткія імпульсы ў дыяпазоне Attosecond. Відавочна, што генерацыя лазераў Attosecond з'яўляецца складаным і шматгранным працэсам, патрабуючы высокай ступені тэхнічнага майстэрства і спецыялізаванага абсталявання.

Каб дэмістыфікаваць гэты мудрагелісты працэс, мы прапануем метафарычную паралель, заснаваную ў паўсядзённых сцэнарыях:

Фемтосекундныя лазерныя імпульсы з высокай інтэнсіўнасцю:

Уручэнне, якое валодае выключна магутным катапультам, здольным імгненна кідаць камяні з каласальнай хуткасцю, падобная на ролю лазерных імпульсаў з высокай інтэнсіўнасцю.

Газападобны мэтавы матэрыял:

Уявіце спакойную ваду, якая сімвалізуе газападобны мэтавы матэрыял, дзе кожная кропля вады ўяўляе сабой мноства атамаў газу. Акт руху камянёў у гэты вадаправод аналагічна адлюстроўвае ўплыў лазерных імпульсаў з высокай інтэнсіўнасці на газападобны мэтавы матэрыял.

Рух электронаў і рэкамбінацыя (фізічна называецца пераходам):

Калі фемтосекундныя лазерныя імпульсы ўплываюць на атамы газу ў газападобным мэтавым матэрыяле, значная колькасць знешніх электронаў на імгненне ўсхваляваны станам, дзе яны адрываюцца ад сваіх атамных ядраў, утвараючы плазмападобны стан. Па меры таго, як энергія сістэмы ў далейшым памяншаецца (паколькі лазерныя імпульсы па сваёй сутнасці імпульсуюцца, якія паказваюць інтэрвалы спынення), гэтыя знешнія электроны вяртаюцца да іх непасрэднай блізкасці ад атамных ядраў, вылучаючы высокаэнергетычныя фатоны.

Высокае гарманічнае пакаленне:

Уявіце, што кожны раз, калі кропля вады падае назад на паверхню возера, гэта стварае пульсацыі, як і высокія гармонікі ў Attosecond Lasers. Гэтыя пульсацыі маюць больш высокія частоты і амплітуды, чым арыгінальныя пульсацыі, выкліканыя першасным фемтосекундным лазерным імпульсам. Падчас працэсу HHG магутны лазерны прамень, падобны на пастаянна падкідваючы камяні, асвятляе газавую мэту, нагадваючы паверхню возера. Гэта інтэнсіўнае лазернае поле падштурхоўвае электроны ў газе, аналагічнае пульсацыю, удалечыні ад бацькоўскіх атамаў, а потым цягне іх назад. Кожны раз, калі электрона вяртаецца да атама, ён выпраменьвае новы лазерны прамень з больш высокай частатой, падобная на больш складаныя ўзоры пульсацыі.

Фільтраванне і факусоўка:

Спалучаючы ўсе гэтыя нядаўна створаныя лазерныя прамяні, дае спектр розных колераў (частоты або даўжыні хваль), некаторыя з якіх складаюць лазер Attosecond. Каб вылучыць пэўныя памеры пульсацыі і частоты, вы можаце выкарыстоўваць спецыялізаваны фільтр, падобнае на выбар жаданых пульсацый, і выкарыстоўваць павелічальнае шкло, каб засяродзіць іх на пэўнай вобласці.

Імпульсны сціск (пры неабходнасці):

Калі вы імкнецеся хутчэй распаўсюджваць пульсацыі хутчэй і карацей, вы можаце паскорыць іх распаўсюджванне пры дапамозе спецыялізаванага прылады, скарачаючы час, калі кожны пульсацыя доўжыцца. Выпрацоўка лазераў Attosecond прадугледжвае складаную ўзаемадзеянне працэсаў. Аднак пры разбурэнні і візуалізацыі ён становіцца больш зразумелым.