Во значајно соопштение вечерта на 3 октомври 2023 година, беше откриена Нобеловата награда за физика за 2023 година, со која се признаваат извонредните придонеси на тројца научници кои одиграа клучна улога како пионери во областа на атосекундната ласерска технологија.

Терминот „атосекунден ласер“ го добива своето име од неверојатно кратката временска скала на која работи, поточно од редот на атосекунди, што одговара на 10^-18 секунди. За да се сфати длабокото значење на оваа технологија, фундаменталното разбирање на тоа што значи атосекунда е од суштинско значење. Атосекундата е исклучително минијатурна единица време, што претставува еден милијардити дел од милијардити дел од секундата во поширокиот контекст на една секунда. За да го ставиме ова во перспектива, ако ја споредиме секундата со висока планина, атосекундата би била слична на едно зрно песок сместено во подножјето на планината. Во овој минлив временски интервал, дури и светлината едвај може да помине растојание еквивалентно на големината на еден атом. Преку користењето на атосекундни ласери, научниците добиваат невидена способност да ја испитуваат и манипулираат сложената динамика на електроните во атомските структури, слично на репродукција со забавено движење кадар по кадар во кинематографски секвенци, со што навлегуваат во нивната меѓусебна игра.

Атосекундни ласерипретставуваат кулминација на обемни истражувања и заеднички напори на научниците, кои ги искористија принципите на нелинеарната оптика за да создадат ултрабрзи ласери. Нивното појавување ни обезбеди иновативна гледна точка за набљудување и истражување на динамичките процеси што се одвиваат во атомите, молекулите, па дури и електроните во цврсти материјали.

За да се разјасни природата на атосекундните ласери и да се ценат нивните неконвенционални атрибути во споредба со конвенционалните ласери, императив е да се истражи нивната категоризација во рамките на поширокото „семејство на ласери“. Класификацијата по бранова должина ги сместува атосекундните ласери претежно во опсегот од ултравиолетови до меки рендгенски фреквенции, што означува нивни значително пократки бранови должини во споредба со конвенционалните ласери. Во однос на излезните режими, атосекундните ласери спаѓаат во категоријата пулсирани ласери, кои се карактеризираат со нивните исклучително кратки траења на пулсите. За да се направи аналогија за јасност, може да се замислат континуираните ласери како слични на фенерче што емитува континуиран зрак светлина, додека пулсираните ласери личат на стробоскопска светлина, брзо менувајќи се помеѓу периодите на осветлување и темнина. Во суштина, атосекундните ласери покажуваат пулсирачко однесување во рамките на осветлувањето и темнината, но нивниот премин помеѓу двете состојби се случува со неверојатна фреквенција, достигнувајќи го царството на атосекундите.

Понатамошната категоризација според моќноста ги распоредува ласерите во групи со ниска, средна и висока моќност. Атосекундните ласери постигнуваат висока врвна моќност поради нивните екстремно кратки траења на импулсите, што резултира со изразена врвна моќност (P) - дефинирана како интензитет на енергија по единица време (P=W/t). Иако поединечните атосекундни ласерски импулси можеби немаат исклучително голема енергија (W), нивното скратено временско времетраење (t) им дава зголемена врвна моќност.

Во однос на домените на примена, ласерите опфаќаат спектар што опфаќа индустриски, медицински и научни апликации. Атосекундните ласери првенствено ја наоѓаат својата ниша во областа на научните истражувања, особено во истражувањето на брзо развивачките феномени во доменот на физиката и хемијата, нудејќи поглед во брзите динамички процеси на микрокосмичкиот свет.

Категоризацијата според ласерскиот медиум ги дели ласерите како гасни ласери, ласери во цврста состојба, ласери во течна состојба и полупроводнички ласери. Генерирањето на атосекундни ласери обично зависи од гасни ласерски медиуми, искористувајќи ги нелинеарните оптички ефекти за да создадат хармоници од повисок ред.

Накратко, атосекундните ласери претставуваат единствена класа на кратки пулсни ласери, кои се одликуваат со нивните извонредно кратки траења на пулсот, обично мерени во атосекунди. Како резултат на тоа, тие станаа неопходни алатки за набљудување и контрола на ултрабрзите динамички процеси на електроните во атомите, молекулите и цврстите материјали.

Сложениот процес на генерирање на атосекунден ласер

Технологијата на атосекунден ласер е на чело на научните иновации, гордеејќи се со интригантно ригорозен сет на услови за нејзино генерирање. За да ги разјасниме сложеноста на генерирањето на атосекунден ласер, започнуваме со концизно изложување на нејзините основни принципи, проследено со живописни метафори изведени од секојдневните искуства. Читателите кои не се запознаени со сложеноста на релевантната физика не треба да очајуваат, бидејќи метафорите што следат имаат за цел да ја направат основната физика на атосекундендните ласери достапна.

Процесот на генерирање на атосекундни ласери првенствено се потпира на техниката позната како Високохармонска Генерација (HHG). Прво, зрак од фемтосекундни ласерски импулси со висок интензитет (10^-15 секунди) е цврсто фокусиран на гасовит целен материјал. Вреди да се напомене дека фемтосекундните ласери, слични на атосекундните ласери, ги делат карактеристиките на поседување кратки траења на импулсите и висока врвна моќност. Под влијание на интензивното ласерско поле, електроните во атомите на гас моментално се ослободуваат од нивните атомски јадра, минливо влегувајќи во состојба на слободни електрони. Како што овие електрони осцилираат како одговор на ласерското поле, тие на крајот се враќаат и се рекомбинираат со нивните родителски атомски јадра, создавајќи нови состојби со висока енергија.

За време на овој процес, електроните се движат со екстремно високи брзини, а по рекомбинацијата со атомските јадра, тие ослободуваат дополнителна енергија во форма на високи хармонични емисии, манифестирајќи се како фотони со висока енергија.

Фреквенциите на овие новогенерирани високоенергетски фотони се целобројни множители на оригиналната ласерска фреквенција, формирајќи таканаречени хармоници од висок ред, каде што „хармоники“ означува фреквенции кои се интегрални множители на оригиналната фреквенција. За да се добијат атосекундни ласери, станува неопходно да се филтрираат и фокусираат овие хармоници од висок ред, избирајќи специфични хармоници и концентрирајќи ги во фокусна точка. Доколку е потребно, техниките за компресија на пулси можат дополнително да го скратат времетраењето на пулсот, давајќи ултракратки импулси во атосекундниот опсег. Очигледно, генерирањето на атосекундни ласери претставува софистициран и повеќеслоен процес, кој бара висок степен на техничка вештина и специјализирана опрема.

За да го демистифицираме овој сложен процес, нудиме метафорична паралела заснована на секојдневни сценарија:

Фемтосекундни ласерски импулси со висок интензитет:

Замислете да поседувате исклучително моќен катапулт способен моментално да фрла камења со колосални брзини, слично на улогата што ја играат фемтосекундните ласерски импулси со висок интензитет.

Гасовит материјал за целта:

Замислете мирна површина на вода што го симболизира гасовитиот целен материјал, каде што секоја капка вода претставува безброј атоми на гас. Чинот на туркање камења во оваа површина на вода аналогно го отсликува влијанието на фемтосекундните ласерски импулси со висок интензитет врз гасовитиот целен материјал.

Движење и рекомбинација на електрони (физички наречена транзиција):

Кога фемтосекундните ласерски импулси влијаат на атомите на гас во гасовитиот целен материјал, значителен број надворешни електрони моментално се возбудуваат до состојба каде што се одвојуваат од нивните соодветни атомски јадра, формирајќи состојба слична на плазма. Како што енергијата на системот последователно се намалува (бидејќи ласерските импулси се инхерентно пулсирани, со интервали на прекин), овие надворешни електрони се враќаат во нивната близина на атомските јадра, ослободувајќи фотони со висока енергија.

Генерација на високи хармоници:

Замислете секој пат кога капка вода ќе падне назад на површината на езерото, таа создава бранувања, слично како високите хармоници кај атосекундните ласери. Овие бранувања имаат повисоки фреквенции и амплитуди од оригиналните бранувања предизвикани од примарниот фемтосекунден ласерски пулс. За време на процесот HHG, моќен ласерски зрак, сличен на континуирано фрлање камења, осветлува гасна цел, слична на површината на езерото. Ова интензивно ласерско поле ги турка електроните во гасот, аналогно на бранувањата, подалеку од нивните матични атоми, а потоа ги повлекува назад. Секој пат кога електрон се враќа во атомот, тој емитува нов ласерски зрак со поголема фреквенција, сличен на посложени шеми на бранувања.

Филтрирање и фокусирање:

Комбинирањето на сите овие новогенерирани ласерски зраци дава спектар од различни бои (фреквенции или бранови должини), од кои некои го сочинуваат атосекундниот ласер. За да изолирате специфични големини и фреквенции на бранувањата, можете да користите специјализиран филтер, слично на избирање на посакуваните бранувања, и да користите лупа за да ги фокусирате на одредена област.

Пулсна компресија (доколку е потребно):

Ако целта ви е побрзо и пократко да ги ширите бранувањата, можете да го забрзате нивното ширење со помош на специјализиран уред, намалувајќи го времето на траење на секое бранување. Генерирањето на атосекундни ласери вклучува сложена интеракција на процеси. Меѓутоа, кога се разложува и визуелизира, станува поразбирливо.