3. oktoobri 2023 õhtul avalikustati tähelepanuväärne teadaanne 2023. aasta Nobeli füüsikapreemia laureaadi kohta, tunnustades kolme teadlase silmapaistvat panust, kes on mänginud olulist rolli attosekundilise lasertehnoloogia valdkonna pioneeridena.

Mõiste "attosekundiline laser" on tuletatud uskumatult lühikesest ajaskaala järgi, millel see töötab, täpsemalt attosekundite suurusjärgus, mis vastab 10^-18 sekundile. Selle tehnoloogia sügava tähtsuse mõistmiseks on ülioluline mõista, mida attosekund tähendab. Attosekund on äärmiselt minutiline ajaühik, moodustades ühe miljardiku sekundist ühe sekundi laiemas kontekstis. Perspektiivi lisamiseks, kui võrdleksime sekundit kõrguva mäega, oleks attosekund sarnane ühele liivaterale, mis asub mäe jalamil. Selle lühikese aja jooksul suudab isegi valgus vaevu läbida vahemaad, mis on võrdne üksiku aatomi suurusega. Attosekundiliste laserite kasutamise kaudu saavutavad teadlased enneolematu võime uurida ja manipuleerida elektronide keerukat dünaamikat aatomistruktuurides, mis on sarnane kaaderhaaval aegluubis kordusega kinemaatilises järjestuses, süvenedes seeläbi nende koosmõjusse.

Attosekundilised laseridesindavad teadlaste ulatusliku uurimistöö ja kooskõlastatud jõupingutuste kulminatsiooni, kes on rakendanud mittelineaarse optika põhimõtteid ülikiirete laserite loomiseks. Nende tulek on andnud meile uuendusliku vaatepunkti tahkete materjalide aatomite, molekulide ja isegi elektronide sees toimuvate dünaamiliste protsesside jälgimiseks ja uurimiseks.

Attosekundiliste laserite olemuse selgitamiseks ja nende ebatavaliste omaduste hindamiseks võrreldes tavapäraste laseritega on hädavajalik uurida nende liigitamist laiemas "laserite perekonnas". Lainepikkuse järgi klassifitseerimine paigutab attosekundilised laserid peamiselt ultraviolett- ja pehme röntgenkiirguse sageduste vahemikku, mis näitab nende märgatavalt lühemaid lainepikkusi võrreldes tavapäraste laseritega. Väljundrežiimide poolest kuuluvad attosekundilised laserid impulsslaserite kategooriasse, mida iseloomustab äärmiselt lühike impulsi kestus. Selguse huvides analoogia loomiseks võib ette kujutada pidevlaine-lasereid nagu taskulampi, mis kiirgab pidevat valgusvihku, samas kui impulsslaserid meenutavad stroboskoopiat, vaheldudes kiiresti valgustuse ja pimeduse perioodide vahel. Sisuliselt on attosekundilistel laseritel pulseeriv käitumine valgustuse ja pimeduse sees, kuid nende üleminek kahe oleku vahel toimub hämmastava sagedusega, ulatudes attosekundite valdkonda.

Võimsuse järgi liigitamine jagab laserid väikese, keskmise ja suure võimsusega klassidesse. Attosekundilised laserid saavutavad suure tippvõimsuse tänu oma äärmiselt lühikesele impulsi kestusele, mille tulemuseks on väljendunud tippvõimsus (P) – defineeritakse kui energia intensiivsus ajaühiku kohta (P=W/t). Kuigi üksikutel attosekundilistel laserimpulssidel ei pruugi olla erakordselt suurt energiat (W), annab nende lühendatud ajaline ulatus (t) neile suurema tippvõimsuse.

Rakendusvaldkondade osas hõlmavad laserid laia spektrit, mis hõlmab tööstuslikke, meditsiinilisi ja teaduslikke rakendusi. Attosekundilised laserid leiavad oma niši peamiselt teadusuuringute valdkonnas, eriti füüsika ja keemia kiiresti arenevate nähtuste uurimisel, pakkudes akna mikrokosmilise maailma kiiretesse dünaamilistesse protsessidesse.

Laserkeskkonna järgi liigitatakse laserid gaaslaseriteks, tahkislaseriteks, vedeliklaseriteks ja pooljuhtlaseriteks. Attosekundiliste laserite genereerimine sõltub tavaliselt gaaslaserkeskkonnast, kasutades ära mittelineaarseid optilisi efekte kõrgema astme harmooniliste tekitamiseks.

Kokkuvõttes moodustavad attosekundilised laserid ainulaadse lühiimpulsslaserite klassi, mida iseloomustab erakordselt lühike impulsi kestus, mida tavaliselt mõõdetakse attosekundites. Seetõttu on neist saanud asendamatud tööriistad elektronide ülikiirete dünaamiliste protsesside jälgimiseks ja juhtimiseks aatomites, molekulides ja tahketes materjalides.

Attosekundilise laseri genereerimise keerukas protsess

Attosekundiline lasertehnoloogia on teadusliku innovatsiooni esirinnas, uhkeldades intrigeerivalt rangete tingimustega selle genereerimiseks. Attosekundilise laseri genereerimise keerukuste selgitamiseks alustame selle aluspõhimõtete kokkuvõtliku selgitusega, millele järgnevad igapäevakogemustest tulenevad elavad metafoorid. Lugejad, kes pole asjakohase füüsika keerukustega kursis, ei pea meelt heitma, sest järgnevad metafoorid püüavad muuta attosekundiliste laserite põhifüüsika arusaadavaks.

Attosekundiliste laserite genereerimisprotsess tugineb peamiselt tehnikale, mida tuntakse kui kõrgharmoonilise genereerimise (HHG) tehnikat. Esiteks fokuseeritakse suure intensiivsusega femtosekundiliste (10^-15 sekundit) laserimpulsside kiir tihedalt gaasilisele sihtmärgile. Tasub märkida, et femtosekundilistel laseritel, mis sarnanevad attosekundiliste laseritega, on lühike impulsi kestus ja suur tippvõimsus. Intensiivse laservälja mõjul vabanevad gaasiaatomite elektronid hetkeks oma aatomituumadest, sisenedes ajutiselt vabade elektronide olekusse. Kui need elektronid laservälja mõjul võnguvad, naasevad nad lõpuks oma emaaatomi tuumadesse ja rekombineeruvad nendega, luues uusi suure energiaga olekuid.

Selle protsessi käigus liiguvad elektronid äärmiselt suure kiirusega ja aatomituumadega rekombineerudes vabastavad nad täiendavat energiat kõrge harmoonilise emissiooni kujul, mis avaldub kõrge energiaga footonitena.

Nende äsja genereeritud suure energiaga footonite sagedused on algse lasersageduse täisarvulised kordsed, moodustades nn kõrgema järgu harmoonilised, kus "harmoonilised" tähistavad sagedusi, mis on algse sageduse täisarvulised kordsed. Attosekundiliste laserite saamiseks on vaja neid kõrgema järgu harmoonilisi filtreerida ja fokuseerida, valides konkreetsed harmoonilised ja koondamise teel fookuspunkti. Soovi korral saab impulsi kokkusurumise tehnikate abil impulsi kestust veelgi lühendada, saades ülilühikesi impulsse attosekundilises vahemikus. Ilmselgelt on attosekundiliste laserite genereerimine keerukas ja mitmetahuline protsess, mis nõuab suurt tehnilist oskusteavet ja spetsiaalset varustust.

Selle keeruka protsessi demüstifitseerimiseks pakume metafoorse paralleeli, mis põhineb igapäevastel stsenaariumitel:

Suure intensiivsusega femtosekundilised laserimpulsid:

Kujutage ette erakordselt võimsat katapulti, mis suudab hetkega kive kolossaalse kiirusega paisata, sarnaselt suure intensiivsusega femtosekundiliste laserimpulssidega.

Gaasiline sihtmärkmaterjal:

Kujutage ette rahulikku veekogu, mis sümboliseerib gaasilist sihtmärki, kus iga veepiisk esindab lugematul hulgal gaasi aatomeid. Kivide sellesse veekogusse paiskamine peegeldab analoogselt suure intensiivsusega femtosekundiliste laserimpulsside mõju gaasilisele sihtmärgile.

Elektronide liikumine ja rekombinatsioon (füüsikaliselt nimetatud üleminek):

Kui femtosekundilised laserimpulsid tabavad gaasilise sihtmärgimaterjali gaasiaatomeid, ergastab märkimisväärne arv väliseid elektrone hetkeks olekusse, kus nad eralduvad oma vastavatest aatomituumadest, moodustades plasmalaadse oleku. Kui süsteemi energia seejärel väheneb (kuna laserimpulsid on oma olemuselt pulseerivad, millel on katkestusintervallid), naasevad need välised elektronid aatomituumade lähedusse, vabastades suure energiaga footoneid.

Kõrge harmoonilise genereerimine:

Kujutage ette, et iga kord, kui veepiisk järve pinnale langeb, tekitab see lainetusi, mis sarnanevad attosekundiliste laserite kõrgete harmoonilistega. Neil lainetustel on kõrgemad sagedused ja amplituudid kui algsetel lainetustel, mis tekkisid femtosekundilise laserimpulsi poolt. HHG protsessi ajal valgustab võimas laserkiir, mis sarnaneb pidevalt kivide viskamisega, gaasimärki, mis meenutab järve pinda. See intensiivne laserväli liigutab gaasis olevaid elektrone, mis sarnanevad lainetustega, oma algsetest aatomitest eemale ja seejärel tõmbab neid tagasi. Iga kord, kui elektron naaseb aatomi juurde, kiirgab see uue laserkiire kõrgema sagedusega, mis sarnaneb keerukamate lainemustritega.

Filtreerimine ja teravustamine:

Kõigi nende äsja genereeritud laserkiirte kombineerimine annab tulemuseks erinevate värvide (sageduste või lainepikkuste) spektri, millest mõned moodustavad attosekundilise laseri. Teatud pulsatsioonisuuruste ja -sageduste isoleerimiseks võite kasutada spetsiaalset filtrit, mis sarnaneb soovitud pulsatsioonide valimisega, ja kasutada luupi, et neid kindlale alale fokuseerida.

Pulsikompressioon (vajadusel):

Kui eesmärk on laineid kiiremini ja lühemalt levitada, saab spetsiaalse seadme abil nende levikut kiirendada, lühendades iga laine kestust. Attosekundiliste laserite genereerimine hõlmab keerukat protsesside koosmõju. Kuid kui see osadeks jagada ja visualiseerida, muutub see arusaadavamaks.