Во значајна објава вечерта на 3 октомври 2023 година, беше откриена Нобеловата награда за физика за 2023 година, со што се признава извонредниот придонес на тројца научници кои одиграа клучна улога како пионери во областа на аттосекундната ласерска технологија.

Терминот „аттосекунди ласер“ го добива своето име од неверојатно краткиот временски распоред на кој работи, конкретно во редот на аттосекунди, што одговара на 10^-18 секунди. За да се сфати длабокото значење на оваа технологија, основно е да се разбере она што означува аттосекунда. Атосекундата стои како исклучително минутна единица време, која сочинува една милијардити дел од милијардити дел од секундата во поширокиот контекст на една секунда. За да го ставиме ова во перспектива, ако сакаме да споредиме секунда со висока планина, аттосекунда би била слична на едно зрно песок сместено во основата на планината. Во овој минлив временски интервал, дури и светлината едвај може да помине растојание еквивалентно на големината на поединечен атом. Преку употребата на аттосекундните ласери, научниците стекнуваат невидена способност да испитуваат и манипулираат со сложената динамика на електроните во атомските структури, слично на репродукција на бавно движење од рамка по кадар во кинематографска секвенца, а со тоа навлегуваат во нивната интеракција.

Атосекунда ласерипретставуваат кулминација на опсежните истражувања и заедничките напори на научниците, кои ги искористиле принципите на нелинеарната оптика за да направат ултрабрзи ласери. Нивното доаѓање ни обезбеди иновативна гледна точка за набљудување и истражување на динамичките процеси кои се провлекуваат во атомите, молекулите, па дури и електроните во цврстите материјали.

За да се разјасни природата на аттосекундните ласери и да се ценат нивните неконвенционални атрибути во споредба со конвенционалните ласери, императив е да се истражи нивната категоризација во рамките на поширокото „ласерско семејство“. Класификацијата по бранова должина ги става аттосекундните ласери претежно во опсегот на фреквенции од ултравиолетови до меки рендгенски зраци, што ги означува нивните значително пократки бранови должини за разлика од конвенционалните ласери. Во однос на излезните режими, аттосекундните ласери спаѓаат во категоријата импулсни ласери, кои се карактеризираат со нивното претерано кратко траење на импулсот. За да се направи аналогија за јасност, може да се замислат ласери со континуирани бранови слични на батериска ламба што емитува континуиран зрак светлина, додека импулсните ласери личат на строб светлина, брзо наизменично помеѓу периодите на осветлување и темнина. Во суштина, аттосекундните ласери покажуваат пулсирачко однесување во рамките на осветлувањето и темнината, но нивната транзиција помеѓу двете состојби се јавува со неверојатна фреквенција, достигнувајќи до царството на аттосекунди.

Понатамошната категоризација по моќност ги става ласерите во загради со мала моќност, средна моќност и голема моќност. Атосекундните ласери постигнуваат висока максимална моќност поради нивното исклучително кратко времетраење на пулсот, што резултира со изразена врвна моќност (P) - дефинирана како интензитет на енергија по единица време (P=W/t). Иако поединечните аттосекундни ласерски импулси можеби не поседуваат исклучително голема енергија (W), нивната скратена временска големина (t) им дава зголемена максимална моќност.

Во однос на домени на примена, ласерите опфаќаат спектар кој опфаќа индустриски, медицински и научни апликации. Атосекундните ласери првенствено ја наоѓаат својата ниша во доменот на научното истражување, особено во истражувањето на феномените кои брзо се развиваат во доменот на физиката и хемијата, нудејќи прозорец во брзите динамични процеси на микрокосмичкиот свет.

Категоризацијата по ласерски медиум ги разграничува ласерите како гасни ласери, ласери со цврста состојба, течни ласери и ласери со полупроводници. Генерирањето на аттосекундни ласери обично зависи од гасни ласерски медиуми, со капитализирање на нелинеарни оптички ефекти за да се создадат хармоници од висок ред.

Сумирајќи, аттосекундните ласери сочинуваат уникатна класа на ласери со краток импулс, кои се разликуваат по нивното извонредно кратко времетраење на пулсот, обично мерено во аттосекунди. Како резултат на тоа, тие станаа незаменливи алатки за набљудување и контролирање на ултрабрзите динамички процеси на електроните во атомите, молекулите и цврстите материјали.

Елаборатниот процес на аттосекундната ласерска генерација

Ласерската технологија Attosecond стои на чело на научните иновации, фалејќи се со интригантно ригорозни услови за нејзиното производство. За да ги разјасниме сложеноста на аттосекундната ласерска генерација, започнуваме со концизно изложување на неговите основни принципи, проследено со живи метафори изведени од секојдневните искуства. Читателите кои не се запознаени со сложеноста на релевантната физика не треба да очајуваат, бидејќи метафорите што следуваат имаат за цел да ја направат достапна основната физика на аттосекундните ласери.

Процесот на генерирање на аттосекундните ласери првенствено се потпира на техниката позната како Висока хармонична генерација (HHG). Прво, зрак од фемтосекунди со висок интензитет (10^-15 секунди) ласерски импулси е цврсто фокусиран на гасовит целен материјал. Вреди да се напомене дека фемтосекундните ласери, слични на аттосекундните ласери, ги споделуваат карактеристиките на поседување кратко времетраење на пулсот и висока максимална моќност. Под влијание на интензивното ласерско поле, електроните во атомите на гасот моментално се ослободуваат од нивните атомски јадра, минливо влегувајќи во состојба на слободни електрони. Додека овие електрони осцилираат како одговор на ласерското поле, тие на крајот се враќаат и се рекомбинираат со нивните матични атомски јадра, создавајќи нови високоенергетски состојби.

За време на овој процес, електроните се движат со екстремно високи брзини, а при рекомбинација со атомските јадра, тие ослободуваат дополнителна енергија во форма на високи хармонични емисии, кои се манифестираат како високоенергетски фотони.

Фреквенциите на овие новогенерирани високоенергетски фотони се цели множители на оригиналната ласерска фреквенција, формирајќи го она што се нарекува хармоници од висок ред, каде што „хармониката“ означува фреквенции кои се интегрални множители на првобитната фреквенција. За да се постигнат аттосекундни ласери, станува неопходно да се филтрираат и фокусираат овие хармоници од висок ред, избирајќи специфични хармоници и концентрирајќи ги во фокусна точка. Доколку сакате, техниките за компресија на пулсот може дополнително да го скратат времетраењето на пулсот, давајќи ултра-кратки импулси во опсегот на аттосекунда. Очигледно, генерирањето на аттосекундни ласери претставува софистициран и повеќеслоен процес, кој бара висок степен на техничка моќ и специјализирана опрема.

За да го демистифицираме овој сложен процес, нудиме метафорична паралела втемелена во секојдневни сценарија:

Фемтосекундни ласерски импулси со висок интензитет:

Замислете да поседувате исклучително моќен катапулт способен моментално да фрла камења со огромна брзина, слична на улогата што ја играат фемтосекундните ласерски импулси со висок интензитет.

Гасовит целен материјал:

Замислете мирно водено тело кое го симболизира гасовитиот целен материјал, каде што секоја капка вода претставува огромен број атоми на гас. Чинот на придвижување на камења во ова водно тело аналогно го отсликува влијанието на фемтосекундните ласерски импулси со висок интензитет врз гасовитиот целен материјал.

Движење и рекомбинација на електрони (физички означена транзиција):

Кога фемтосекундните ласерски импулси влијаат на атомите на гасот 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 импулсни, со интервали на прекин), овие надворешни електрони се враќаат во нивната близина на атомските јадра, ослободувајќи високоенергетски фотони.

Висока хармонична генерација:

Замислете секој пат кога капка вода паѓа назад на површината на езерото, создава бранови, слично како високите хармоници во аттосекундните ласери. Овие бранувања имаат повисоки фреквенции и амплитуди од првобитните бранувања предизвикани од примарниот фемтосекундарен ласерски пулс. За време на процесот на HHG, моќен ласерски зрак, сличен на постојано фрлање камења, осветлува гасна мета, слична на површината на езерото. Ова интензивно ласерско поле ги придвижува електроните во гасот, аналогно на бранувањата, подалеку од нивните матични атоми и потоа ги повлекува назад. Секој пат кога електрон се враќа во атомот, тој емитира нов ласерски зрак со поголема фреквенција, сличен на покомплексни обрасци на бранови.

Филтрирање и фокусирање:

Со комбинирање на сите овие новогенерирани ласерски зраци се добива спектар на различни бои (фреквенции или бранови должини), од кои некои го сочинуваат аттосекунданиот ласер. За да изолирате специфични големини и фреквенции на бранови, можете да употребите специјализиран филтер, сличен на изборот на саканите бранови и да употребите лупа за да ги фокусирате на одредена област.

Компресија на пулсот (ако е потребно):

Ако имате за цел да ги размножувате бранувањата побрзо и пократко, можете да го забрзате нивното ширење со помош на специјализиран уред, намалувајќи го времето на траење на секое бранување. Генерирањето на аттосекунда ласери вклучува сложена интеракција на процеси. Меѓутоа, кога ќе се разложи и визуелизира, станува поразбирливо.