2023. aasta 3. oktoobri õhtul kuulutati välja 2023. aasta Nobeli füüsikaauhind, millega tunnustati kolme teadlase silmapaistvat panust, kes on etendanud keskset rolli atosekundilise lasertehnoloogia vallas pioneeridena.

Mõiste "attosekundiline laser" tuleneb selle uskumatult lühikesest ajaskaalast, mille jooksul see töötab, täpsemalt attosekundite järjekorras, mis vastab 10^-18 sekundile. Selle tehnoloogia sügava tähtsuse mõistmiseks on ülimalt oluline mõista, mida attosekund tähendab. Attosekund on üliminutiline ajaühik, mis moodustab ühe sekundi laiemas kontekstis ühe miljardindiku miljardist sekundist. Selle perspektiivi silmas pidades, kui me võrdleksime sekundit kõrguva mäega, oleks attosekund sarnane üheainsa liivateraga, mis asub mäe põhjas. Selle põgusa ajaintervalli jooksul suudab isegi valgus vaevu läbida vahemaa, mis on võrdne üksiku aatomi suurusega. Attosekundiliste laserite kasutamise kaudu omandavad teadlased enneolematu võime kontrollida ja manipuleerida elektronide keerulist dünaamikat aatomistruktuurides, mis sarnaneb kaadri kaupa aegluubis taasesitamisega kinematograafilises järjestuses, süvenedes seeläbi nende koosmõjusse.

Attosekundilised laseridesindavad ulatuslike uuringute ja teadlaste kooskõlastatud jõupingutuste kulminatsiooni, kes on rakendanud mittelineaarse optika põhimõtteid ülikiirete laserite valmistamisel. Nende tulek on andnud meile uuendusliku vaatepunkti tahkete materjalide aatomites, molekulides ja isegi elektronides toimuvate dünaamiliste protsesside vaatlemiseks ja uurimiseks.

Et selgitada attosekundiliste laserite olemust ja hinnata nende tavapäraste laseritega võrreldes tavatuid omadusi, on hädavajalik uurida nende kategoriseerimist laiema "laserite perekonna" raames. Klassifikatsioon lainepikkuse järgi asetab attosekundilised laserid valdavalt ultraviolettkiirguse kuni pehme röntgenikiirguse sageduste vahemikku, mis tähendab nende märkimisväärselt lühemaid lainepikkusi võrreldes tavaliste laseritega. Väljundrežiimide osas kuuluvad attosekundilised laserid impulsslaserite kategooriasse, mida iseloomustab nende ülimalt lühike impulsi kestus. Selguse huvides analoogia saamiseks võib kujutada pidevlaine lasereid sarnaselt taskulambiga, mis kiirgab pidevat valgusvihku, samas kui impulsslaserid meenutavad strobovalgust, vaheldudes kiiresti valgustuse ja pimeduse perioodide vahel. Sisuliselt käituvad attosekundilised laserid valgustuses ja pimeduses pulseerivalt, kuid nende üleminek kahe oleku vahel toimub hämmastava sagedusega, ulatudes attosekundite valdkonda.

Täiendav liigitamine võimsuse järgi paigutab laserid väikese võimsusega, keskmise võimsusega ja suure võimsusega sulgudesse. Attosekundilised laserid saavutavad suure tippvõimsuse tänu nende äärmiselt lühikesele impulsi kestusele, mille tulemuseks on väljendunud tippvõimsus (P) – defineeritud 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 kõrgendatud tippvõimsuse.

Kasutusalade osas hõlmavad laserid tööstuslikke, meditsiinilisi ja teaduslikke rakendusi. Attosekundilised laserid leiavad oma niši peamiselt teadusuuringute valdkonnas, eriti füüsika ja keemia valdkondades kiiresti arenevate nähtuste uurimisel, pakkudes akent mikrokosmilise maailma kiiretesse dünaamilistesse protsessidesse.

Lasermeediumi järgi liigitamine määratleb laserid gaasilaseritena, tahkislaseritena, vedellaseritena ja pooljuhtlaseritena. Attosekundiliste laserite genereerimine sõltub tavaliselt gaaslaseri kandjatest, kasutades ära mittelineaarseid optilisi efekte, et tekitada kõrge astme harmoonilisi.

Kokkuvõttes moodustavad attosekundilised laserid ainulaadse lühiimpulsslaserite klassi, mida eristavad nende erakordselt lühikesed impulsside kestused, mida tavaliselt mõõdetakse attosekundites. Selle tulemusena on neist saanud asendamatud vahendid elektronide ülikiirete dünaamiliste protsesside vaatlemiseks ja juhtimiseks aatomites, molekulides ja tahketes materjalides.

Attosekundilise laseri genereerimise keerukas protsess

Attosekundi lasertehnoloogia on teadusliku innovatsiooni esirinnas, pakkudes oma põlvkonna jaoks intrigeerivalt rangeid tingimusi. Atosekundilise lasergenereerimise keerukuse selgitamiseks alustame selle aluspõhimõtete lühikirjeldusega, millele järgneb igapäevastest kogemustest tuletatud erksad metafoorid. Lugejad, kes ei tunne vastava füüsika keerukusi, ei pea meelt heitma, sest järgnevate metafooride eesmärk on muuta attosekundiliste laserite põhifüüsika kättesaadavaks.

Attosekundiliste laserite genereerimisprotsess tugineb peamiselt tehnikale, mida tuntakse kõrge harmoonilise genereerimise (HHG) nime all. Esiteks fokusseeritakse suure intensiivsusega femtosekundiliste (10^-15 sekundit) laserimpulsside kiir gaasilisele sihtmaterjalile. Väärib märkimist, et femtosekundilistel laseritel, mis on sarnased attosekundiliste laseritega, on lühikese impulsi kestuse ja suure tippvõimsuse omadused. Intensiivse laservälja mõjul vabanevad gaasiaatomites olevad elektronid hetkeks oma aatomituumadest, sisenedes ajutiselt vabade elektronide olekusse. Kuna need elektronid võnkuvad vastuseks laserväljale, naasevad nad lõpuks tagasi oma põhiaatomi tuumadesse ja ühinevad nendega, luues uusi suure energiaga olekuid.

Selle protsessi käigus liiguvad elektronid ülisuurte kiirustega ning rekombineerumisel aatomituumadega vabastavad nad lisaenergiat kõrgete harmooniliste emissioonide näol, mis avalduvad suure energiaga footonitena.

Nende äsja genereeritud suure energiaga footonite sagedused on algse laseri sageduse täisarvud, moodustades nn kõrge järgu harmoonilisi, kus "harmoonikud" tähistavad sagedusi, mis on algse sageduse lahutamatud kordsed. Attosekundiliste laserite saavutamiseks on vaja neid kõrget järku harmoonilisi filtreerida ja fokuseerida, valides konkreetsed harmoonilised ja koondades need fookuspunkti. Soovi korral võivad impulsi tihendamise tehnikad impulsi kestust veelgi lühendada, andes ultralühikesed impulsid attosekundite vahemikus. Ilmselt on attosekundiliste laserite genereerimine keerukas ja mitmetahuline protsess, mis nõuab kõrget tehnilist võimekust ja erivarustust.

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

Suure intensiivsusega femtosekundilised laserimpulsid:

Kujutage ette erakordselt võimsat katapulti, mis on võimeline silmapilkselt kolossaalse kiirusega kive loopima, sarnaselt suure intensiivsusega femtosekundiliste laserimpulsside rolliga.

Gaasiline sihtmaterjal:

Kujutage ette vaikset veekogu, mis sümboliseerib gaasilist sihtmaterjali, kus iga veetilk esindab lugematuid gaasiaatomeid. Kivide sellesse veekogusse lükkamine peegeldab analoogselt kõrge intensiivsusega femtosekundiliste laserimpulsside mõju gaasilisele sihtmaterjalile.

Elektronide liikumine ja rekombinatsioon (füüsiliselt nimetatakse üleminekuks):

Kui femtosekundilised laserimpulssid mõjutavad gaasiaatomeid gaasilises sihtmaterjalis, ergastatakse märkimisväärne hulk väliseid elektrone hetkeks olekusse, kus nad eralduvad oma vastavatest aatomituumadest, moodustades plasmataolise oleku. Kuna süsteemi energia hiljem väheneb (kuna laserimpulssid on oma olemuselt impulssidega, millel on katkestusintervallid), naasevad need välised elektronid aatomituumade lähedusse, vabastades suure energiaga footoneid.

Kõrge harmoonilise generatsioon:

Kujutage ette, et iga kord, kui veepiisk järve pinnale tagasi kukub, tekitab see lainetust, sarnaselt kõrgete harmoonilistega attosekundilistes laserites. Nendel lainetustel on kõrgemad sagedused ja amplituudid kui esmase femtosekundilise laserimpulsi põhjustatud algsed pulsatsioonid. HHG protsessi ajal valgustab võimas laserkiir, mis sarnaneb pidevalt viskavate kividega, gaasi sihtmärki, mis meenutab järve pinda. See intensiivne laserväli tõukab gaasis olevad elektronid sarnaselt lainetele nende lähteaatomitest eemale ja tõmbab need seejärel tagasi. Iga kord, kui elektron naaseb aatomi juurde, kiirgab see uue kõrgema sagedusega laserkiire, mis sarnaneb keerukamate pulsatsioonimustritega.

Filtreerimine ja teravustamine:

Kõigi nende äsja genereeritud laserkiirte kombineerimisel saadakse erinevate värvide spekter (sagedused või lainepikkused), millest mõned moodustavad attosekundilise laseri. Konkreetsete lainetuse suuruste ja sageduste eraldamiseks võite kasutada spetsiaalset filtrit, mis sarnaneb soovitud lainetuse valimisega, ja kasutada suurendusklaasi, et fokuseerida need kindlale alale.

Impulsi kokkusurumine (vajadusel):

Kui soovite levitada lainetust kiiremini ja lühemalt, saate nende levikut spetsiaalse seadme abil kiirendada, vähendades iga pulsatsiooni kestvusaega. Attosekundiliste laserite genereerimine hõlmab protsesside keerulist koosmõju. Lõhkudes ja visualiseerides muutub see aga arusaadavamaks.