2023. október 3 -án este, a 2023 -as évre a Nobel -fizikai Nobel -díjat mutatták be, felismerve három tudós kiemelkedő hozzájárulását, akik úttörőként játszottak pivotális szerepeket az attosekondos lézertechnika területén.

Az "attosecond lézer" kifejezés a nevét a hihetetlenül rövid időtartamból származtatja, amelyen működik, kifejezetten az attosekundumok sorrendjében, amely 10^-18 másodpercnek felel meg. Ennek a technológiának a mély jelentőségének megértése érdekében alapvető fontosságú az alapvető megértés arról, hogy mit jelent az attosekundum. Az attosekundum rendkívül perces idő egysége, amely egy másodperc milliárd milliárd részét képezi az egyetlen másodperc szélesebb kontextusában. Annak érdekében, hogy ezt a perspektívába tegyük, ha egy másodpercet egy magasodó hegyhez hasonlítunk, az attosekundum egy olyan homokszemhez hasonló lenne, amely a hegyi alapon fészkel. Ebben a röpke időbeli intervallumban még a fény alig tud átjutni az egyéni atom méretével egyenértékű távolságon. Az attosekundás lézerek felhasználásával a tudósok példátlan képességet kapnak az atomszerkezetekben az elektronok bonyolult dinamikájának megvizsgálására és manipulálására, hasonlóan a keretről-keretű lassú mozgásra egy filmes sorrendben, ezáltal belemerülve az interflayba.

Attosekundos lézerekA tudósok kiterjedt kutatásainak és összehangolt erőfeszítéseinek csúcspontját képviselik, akik kihasználják a nemlineáris optika alapelveit az ultragyors lézerek készítéséhez. Adventük innovatív kilátópontot adott nekünk az atomok, molekulák és még szilárd anyagok elektronjain belüli dinamikus folyamatok megfigyelésére és feltárására.

Az attosekundás lézerek természetének tisztázására és a hagyományos lézerekkel összehasonlítva nem szokatlan tulajdonságuk értékelése érdekében elengedhetetlen, hogy megvizsgáljuk azok kategorizálását a szélesebb "lézercsaládban". A hullámhosszon történő besorolás az attosekundás lézereket elsősorban az ultraibolya és a lágy röntgen frekvenciák tartományában helyezi el, jelezve, hogy jelentősen rövidebb hullámhosszaik vannak, szemben a hagyományos lézerekkel. A kimeneti módok szempontjából az attosekundás lézerek az impulzusos lézerek kategóriájába tartoznak, amelyet rendkívül rövid impulzus időtartamuk jellemez. A tisztaság analógiájának rajzolásához a folyamatos hullámú lézereket úgy lehet elképzelni, mint egy zseblámpához, amely egy folyamatos fénysugarat bocsát ki, míg az impulzusos lézerek egy villogó fényhez hasonlítanak, gyorsan váltakozva a megvilágítás és a sötétség időszakai között. Lényegében az attosekundás lézerek pulzáló viselkedést mutatnak a megvilágításban és a sötétségben, ám a két állam közötti átmenetük meglepő gyakorisággal alakul ki, elérve az attosekundumok birodalmát.

A további kategorizálás az erővel történő lézereket alacsony teljesítményű, közepes teljesítményű és nagy teljesítményű konzolokba helyezi. Az attosekundás lézerek nagy csúcs energiát érnek el rendkívül rövid impulzus -időtartamuk miatt, ami kiejtett csúcsteljesítményt (P) eredményez - az egységenkénti energia intenzitásaként (p = w/t). Noha az egyes attosekundumos lézerimpulzusok nem rendelkezhetnek kivételesen nagy energiával (W), rövidített időbeli mértékük (T) megnövekedett csúcsteljesítményű.

Az alkalmazási tartományok szempontjából a lézerek egy spektrumot foglalnak magukban, amely magában foglalja az ipari, orvosi és tudományos alkalmazásokat. Az attosekundás lézerek elsősorban a tudományos kutatás birodalmában találják meg a rést, különös tekintettel a gyorsan fejlődő jelenségek feltárására a fizika és a kémia területén, és ablakot kínálnak a mikrokozmikus világ gyors dinamikus folyamatain.

A lézeres közepes lézerekkel történő kategorizálás gáz lézerekként, szilárdtest-lézerekként, folyékony lézerekként és félvezető lézerekként. Az attosekundumos lézerek generálása általában a gáz lézeres táptalajon alapul, és a nemlineáris optikai hatásokkal jár, hogy a nagyszabású harmonikusokat hozzák létre.

Összegezve, az attosekundás lézerek a rövid impulzusos lézerek egyedi osztályát képezik, amelyet rendkívül rövid impulzus-időtartamuk különböztet meg, általában attosekundumokban mérve. Ennek eredményeként nélkülözhetetlen eszközökké váltak az atomok, molekulák és szilárd anyagok ultragyors dinamikus folyamatainak megfigyelésére és szabályozására.

Az attosekundumos lézerképződés kifinomult folyamata

Az attosecond lézertechnika a tudományos innováció élvonalában áll, és érdekes módon szigorú feltételekkel büszkélkedhet. Az attosekundás lézerképződés bonyolultságának tisztázása érdekében az alapelveinek tömör kiállításával kezdjük, amelyet a mindennapi tapasztalatokból származó élénk metaforák követnek. A releváns fizika bonyolultságaiban nem kell felfordítaniuk nem kell kétségbeesni, mivel az azt követő metaforák célja, hogy hozzáférhetővé tegyék az attosekondos lézerek alapvető fizikáját.

Az attosekondos lézerek generációs folyamata elsősorban a nagy harmonikus generáció (HHG) néven ismert technikára támaszkodik. Először is, a nagy intenzitású femtosekundumos (10^-15 másodperc) lézerimpulzusok szigorúan egy gáznemű célanyagra összpontosítanak. Érdemes megjegyezni, hogy a femtosekundás lézerek, hasonlóan az attosekundás lézerekhez, megosztják a rövid impulzusok és a magas csúcsteljesítmény tulajdonságait. Az intenzív lézermező hatására a gáz atomokon belüli elektronok pillanatnyilag felszabadulnak az atommagjukból, átmenetileg belépve a szabad elektronok állapotába. Mivel ezek az elektronok a lézermezőre reagálva oszcillálnak, végül visszatérnek és rekombinálnak a szülő atommagjaikkal, új nagy energiájú állapotokat hozva létre.

E folyamat során az elektronok rendkívül nagy sebességgel mozognak, és az atommagokkal történő rekombináció után további energiát szabadítanak fel nagy harmonikus kibocsátások formájában, nagy energiájú fotonként nyilvánulva.

Ezen újonnan generált nagy energiájú fotonok frekvenciái az eredeti lézerfrekvencia egész számú többszöröse, amelyek nagyszabású harmonikusnak nevezik, ahol a "harmonikus" olyan frekvenciákat jelöl, amelyek az eredeti frekvencia szerves többszöröse. Az attosekundás lézerek eléréséhez szükségessé válik ezeknek a magas rendű harmonikáknak a szűrése és a fókuszálás, a specifikus harmonikusok kiválasztása és a fókuszpontba történő koncentrálása. Ha szükséges, az impulzus tömörítési technikák tovább rövidíthetik az impulzus időtartamát, és ultra-rövid impulzusokat eredményeznek az attosekundumtartományban. Nyilvánvaló, hogy az attosekundás lézerek generálása kifinomult és sokrétű folyamatot jelent, és nagyfokú műszaki bátorságot és speciális felszerelést igényel.

Ennek a bonyolult folyamatnak a demisztizálásához metaforikus párhuzamot kínálunk a mindennapi forgatókönyvekben:

Nagy intenzitású femtoszekundumos lézerimpulzusok:

Az elképzelés egy rendkívül erős katapult birtoklása, amely képes azonnali kövek kolosszális sebességgel történő dobására, hasonlóan a nagy intenzitású femtosekundumos lézerimpulzusok szerepéhez.

Gáznemű célanyag:

Képes egy nyugodt víztest, amely a gáznemű célanyagot szimbolizálja, ahol minden vízcsepp számtalan gáztomot képvisel. A kövek ebbe a víztestbe történő meghajtása analóg módon tükrözi a nagy intenzitású femtosekundumos lézerimpulzusok hatását a gáznemű célanyagra.

Elektronmozgás és rekombináció (fizikailag átmenetnek nevezik):

Amikor a femtoszekundumos lézerimpulzusok befolyásolják a gáz-atomokat a gáznemű célanyagon belül, jelentős számú külső elektron egy pillanatra izgatott egy olyan állapotban, ahol leválnak a megfelelő atommagjuktól, és plazmaszerű állapotot képeznek. Ahogy a rendszer energiája később csökken (mivel a lézerimpulzusok eredendően impulzusosak, a megszüntetési intervallumokkal), ezek a külső elektronok visszatérnek az atommagok közelében, nagy energiájú fotonokat engedve.

Magas harmonikus generáció:

Képzelje el, hogy minden alkalommal, amikor egy vízcsepp visszaesik a tó felszínére, hullámokat hoz létre, hasonlóan a magas harmonikusokhoz az attosekundás lézerekben. Ezeknek a hullámoknak magasabb frekvenciája és amplitúdója van, mint az elsődleges femtoszekundumos lézerimpulzus által okozott eredeti hullámok. A HHG eljárás során egy erőteljes lézernyaláb, amely hasonló a kövek folyamatosan dobásához, megvilágítja a tó felszínére emlékeztető gázt. Ez az intenzív lézermező meghajtja az elektronokat a gázban, analóg a hullámokkal, távol a szülő atomjaiktól, majd visszahúzza őket. Minden alkalommal, amikor egy elektron visszatér az atomhoz, új lézernyalábot bocsát ki, magasabb frekvenciájú, hasonlóan a bonyolultabb hullámzó mintákhoz.

Szűrés és fókuszálás:

Az újonnan generált lézersugár kombinálása különféle színű (frekvenciák vagy hullámhosszok) spektrumot eredményez, amelyek közül néhány az attosekundás lézert képezi. A specifikus fodrozódás és frekvenciák elkülönítéséhez speciális szűrőt alkalmazhat, hasonlóan a kívánt hullámok kiválasztásához, és egy nagyító üvegt használhat, hogy egy adott területre összpontosítsa őket.

Impulzus tömörítés (ha szükséges):

Ha arra törekszik, hogy gyorsabban és rövidebben terjessze a hullámokat, felgyorsíthatja szaporodásukat egy speciális eszközzel, csökkentve az egyes fodrozódások tartását. Az attosekundás lézerek előállítása a folyamatok összetett kölcsönhatását foglalja magában. Ha lebontják és megjelenítik, akkor érthetőbbé válik.