3. oktoobri 2023. aasta õhtul toimunud silmapaistvas teadaandes avalikustati 2023. aasta füüsika auhind, tunnistades kolme teadlase silmapaistvat panust, kes on mänginud pöördelisi rolle teerajajatena AttoseCond Laser Technology valdkonnas.

Mõiste "attosecond laser" tuletab oma nime uskumatult lühikese ajakava põhjal, eriti attosekundite järjekorras, mis vastab 10^-18 sekundile. Selle tehnoloogia sügava olulisuse mõistmiseks on ülioluline mõista, mida antsekund tähistab. Attosekund on ülimalt minutiline ühik, moodustades ühe sekundi laiemas kontekstis miljard sekundist miljardit sekundit. Selle vaatenurka, kui me võrdleksime sekundit kõrguva mäega, sarnaneb attosekund mäe aluses pesitseva ühe teraga liivaga. Selles põgusas ajalises intervallis suudab isegi valgus vaevalt läbi minna, mis on samaväärne individuaalse aatomi suurusega. Attosekundiliste laserite kasutamise kaudu saavad teadlased enneolematu võime kontrollida ja manipuleerida elektronide keeruka dünaamikaga aatomstruktuurides, sarnaselt kaadripõhise aeglase liikumise kordusele kinemaatilises järjestuses, vähendades sellega nende nappidesse.

Attosekundi laseridesindavad teadlaste ulatuslike uuringute ja kooskõlastatud jõupingutuste kulminatsiooni, kes on kasutanud mittelineaarse optika põhimõtteid ultrafastide laserite kujundamiseks. Nende advent on andnud meile uuendusliku vaatepunkti aatomite, molekulide ja isegi elektronide tahketes materjalides toimuvate dünaamiliste protsesside vaatlemiseks ja uurimiseks.

Attosekundiliste laserite olemuse selgitamiseks ja nende ebatraditsiooniliste omaduste hindamiseks võrreldes tavaliste laseritega on hädavajalik uurida nende kategoriseerimist laiemas "laserperekonnas". Klassifikatsioon lainepikkusega asetab attosekundilised laserid peamiselt ultraviolettkiirguse vahemikku pehmete röntgenikiirgusteni, mis tähendab nende eriti lühemat lainepikkust, vastupidiselt tavapärastele laseritele. Väljundrežiimide osas kuuluvad attosekundid laserid impulsslaserite kategooriasse, mida iseloomustab nende äärmiselt lühike pulsi kestus. Analoogia selguse huvides võib kujutada pideva laine lasereid nagu taskulambi, mis kiirgab pidevat valguskiire, samal ajal kui impulsslaserid sarnanevad strobe-valgusega, vaheldudes kiiresti valgustus- ja pimedusperioodide vahel. Sisuliselt näitavad attosekundilised laserid valgustuse ja pimeduse ajal pulseerivat käitumist, kuid nende üleminek kahe oleku vahel ilmneb hämmastava sagedusega, jõudes attosekundide valdkonda.

Edasine kategoriseerimine Power abil asetab laserid vähese energiatarbega, keskmise ja suure võimsusega sulgudesse. AttoseCond laserid saavutavad kõrge tippvõimsuse nende äärmiselt lühikeste impulsi kestuse tõttu, mille tulemuseks on väljendunud tippvõimsus (P) - määratletud kui energia intensiivsust ajaühiku kohta (p = w/t). Ehkki individuaalsetel attosekundilistel laserimpulssidel ei pruugi olla erakordselt suurt energiat (W), annab nende lühendatud ajaline ulatus (t) neid kõrgendatud tippvõimsusega.

Rakendusdomeenide osas hõlmavad laserid spektrit, mis hõlmab tööstus-, meditsiini- ja teaduslikke rakendusi. AttoseCond laserid leiavad peamiselt oma niši teaduslike uuringute valdkonnas, eriti kiiresti arenevate nähtuste uurimisel füüsika ja keemia valdkondades, pakkudes akna mikrokosmilise maailma kiirete dünaamiliste protsessidesse.

Laserkeskkonna poolt kategoriseerimine piiritleb laserid gaasi laserite, tahkislaserite, vedelate laserite ja pooljuhtide laseritena. Attosekundide laserite genereerimine sõltub tavaliselt gaasilaserkeskkondadest, kasutades ära mittelineaarseid optilisi efekte, et tekitada kõrgtegevusega harmoonilisi.

Kokkuvõtlikult võib öelda, et atosekundilised laserid moodustavad ainulaadse lühikese impulsi laserite klassi, mida eristab nende erakordselt lühikeste impulsi kestus, mida tavaliselt mõõdetakse attosekundites. Selle tulemusel on neist muutunud hädavajalikud vahendid elektronide ultrafastide dünaamiliste protsesside jälgimiseks ja juhtimiseks aatomite, molekulide ja tahkete materjalide piires.

Antosekundi laseri genereerimise keerukas protsess

AttoseCond Laser Technology seisab teadusliku innovatsiooni esirinnas, uhkeldades oma põlvkonna jaoks intrigeerivalt rangete tingimuste komplektiga. AttoseCond Laseri genereerimise keerukuse selgitamiseks alustame selle aluspõhimõtete kokkuvõtliku ekspositsiooniga, millele järgnevad igapäevastest kogemustest tulenevad erksad metafoorid. Asjakohase füüsika keerukuse tõttu ei pea lugejad meeleheidet, kuna sellele järgnenud metafooride eesmärk on muuta attosekundi laserite alusfüüsika kättesaadavaks.

Attosekundi laserite genereerimisprotsess sõltub peamiselt tehnikast, mida tuntakse kõrge harmoonilise genereerimisena (HHG). Esiteks on kõrge intensiivsusega femtosekundi (10^-15 sekundi) laserimpulsside tala tihedalt keskendunud gaasilisele sihtmaterjalile. Väärib märkimist, et femtosekundilised laserid, mis sarnanevad attosekundiliste laseritega, jagavad lühikese pulsi kestuse ja kõrge tippvõimsuse omadusi. Intensiivse laservälja mõjul vabastatakse gaasi aatomites olevad elektronid nende aatomituumadest hetkega, sisenedes ajutiselt vabade elektronide olekusse. Kuna need elektronid võnkuvad vastusena laserväljale, naasevad nad lõpuks oma vanemate aatomituumade juurde ja rekombineerib, luues uusi suure energiatarbega olekuid.

Selle protsessi käigus liiguvad elektronid äärmiselt suure kiirusega ja aatomituumadega rekombinatsioonil vabastavad nad suure harmooniliste heitkoguste kujul täiendavat energiat, mis avaldub suure energiatarbega footonitena.

Nende äsja genereeritud suure energiatarbega footonite sagedused on algse lasersageduse täisarvu korduvad, moodustades seda, mida nimetatakse kõrge astme harmooniaks, kus "harmoonilised" tähistavad sagedusi, mis on algse sageduse lahutamatu korduvad. Attosekundi laserite saavutamiseks on vaja neid kõrge astme harmoonilisi filtreerida ja fokuseerida, konkreetset harmoonia valimist ja nende fookuspunkti koondamist. Soovi korral võivad impulsi kokkusurumise tehnikad veelgi lühendada impulsi kestust, saades ultra-lühikesed impulsid attosekundi vahemikus. Ilmselt kujutab attosekundiliste laserite genereerimine keerulist ja mitmetahulist protsessi, nõudes suurt tehnilist võimekust ja spetsialiseeritud seadmeid.

Selle keeruka protsessi demüstifitseerimiseks pakume metafoorilist paralleeli, mis põhineb igapäevastel stsenaariumidel:

Suure intensiivsusega femtosekundilised laserimpulssid:

Kavatseb erakordselt tugevat katapulti, mis on võimeline kolossaalsetel kiirustel kive koheselt heitma, sarnaselt kõrge intensiivsusega femtosekundi laserimpulsside rollile.

Gaasiline sihtmaterjal:

Pildistage rahulik veekogu, mis sümboliseerib gaasilist sihtmaterjali, kus iga vee tilk tähistab hulgaliselt gaasi aatomeid. Kivide liikumine sellesse veekogusse peegeldab analoogselt kõrge intensiivsusega femtosekundiliste laserimpulsside mõju gaasilisele sihtmaterjalile.

Elektronide liikumine ja rekombinatsioon (füüsiliselt nimetatud üleminek):

Kui femtosekundilised laserimpulsid mõjutavad gaasilise sihtmaterjali gaasi aatomeid, erutuvad märkimisväärne arv välimise elektrone hetkega olekusse, kus nad eraldavad vastavatest aatomituumadest, moodustades plasmataolise oleku. Kui süsteemi energia hiljem väheneb (kuna laserimpulsid on oma olemuselt impulss, millel on lõpetamise intervallid), naasevad need välimised elektronid aatomituumade läheduses, vabastades suure energiatarbega footonid.

Kõrge harmooniline põlvkond:

Kujutage ette iga kord, kui veepiim langeb tagasi järve pinnale, see tekitab rebleid, sarnaselt kõrge harmooniaga attosekundi laserites. Nendel rippel on kõrgemad sagedused ja amplituudid kui primaarse femtosekundilise laserimpulsi põhjustatud originaalsetel lainetel. HHG -protsessi ajal valgustab võimas laserkiir, mis sarnaneb pidevalt kivide viskamisega, gaasi sihtmärki, mis sarnaneb järve pinnaga. See intensiivne laserväli tõukab gaasi elektronid, analoogsed ripplitega, nende vanemaaatomitest eemale ja tõmbab need siis tagasi. Iga kord, kui elektron naaseb aatomisse, kiirgab see kõrgema sagedusega uut laserkiirt, sarnaneb keerukamate pulsatsioonimustritega.

Filtreerimine ja keskendumine:

Kõigi nende äsja genereeritud laserkiirte ühendamine annab erinevat värvi (sagedused või lainepikkused) spektri, millest mõned moodustavad attosekundi laseri. Spetsiifiliste pulsatsioonide ja sageduste eraldamiseks võite kasutada spetsiaalset filtrit, mis sarnaneb soovitud relvade valimisega, ja kasutada luubi, et need konkreetsele alale keskenduda.

Pulsi tihendamine (vajadusel):

Kui soovite levitada kiiremini ja lühemat, saate nende levikut kiirendada spetsialiseeritud seadme abil, vähendades iga pulsatsiooni kestust. Attosekundide laserite genereerimine hõlmab protsesside keerulist koosmõju. Kuid lagunemisel ja visualiseerimisel muutub see arusaadavamaks.