I ett betydelsefullt tillkännagivande på kvällen den 3 oktober 2023 avtäcktes Nobelpriset i fysik för år 2023, som ett erkännande av de enastående bidragen från tre vetenskapsmän som har spelat avgörande roller som pionjärer inom attosecond-laserteknologin.

Termen "attosecond laser" har fått sitt namn från den otroligt korta tidsskala den verkar på, specifikt i storleksordningen attosekunder, motsvarande 10^-18 sekunder. För att förstå den djupa betydelsen av denna teknik är en grundläggande förståelse av vad en attosecond betyder av största vikt. En attosekund står som en ytterst liten tidsenhet, som utgör en miljarddels miljarddels sekund inom det bredare sammanhanget av en enda sekund. För att sätta detta i perspektiv, om vi skulle likna en sekund vid ett högt berg, skulle en attosecond vara besläktad med ett enda sandkorn som ligger inbäddat vid bergets bas. I detta flyktiga tidsintervall kan till och med ljus knappt korsa ett avstånd som motsvarar storleken på en enskild atom. Genom att använda attosecondlasrar får forskare den oöverträffade förmågan att granska och manipulera elektronernas invecklade dynamik i atomära strukturer, liknande en bild-för-bildruta slowmotion-repris i en filmisk sekvens, och därigenom fördjupa sig i deras samspel.

Attosecond-lasrarrepresenterar kulmen på omfattande forskning och samordnade ansträngningar av forskare, som har utnyttjat principerna för olinjär optik för att tillverka ultrasnabba lasrar. Deras tillkomst har försett oss med en innovativ utsiktspunkt för observation och utforskning av de dynamiska processer som sker inom atomer, molekyler och till och med elektroner i fasta material.

För att klargöra karaktären hos attosekundslasrar och uppskatta deras okonventionella egenskaper i jämförelse med konventionella lasrar, är det absolut nödvändigt att utforska deras kategorisering inom den bredare "laserfamiljen". Klassificering efter våglängd placerar attosekundslasrar övervägande inom intervallet för ultravioletta till mjuka röntgenfrekvenser, vilket anger deras särskilt kortare våglängder i motsats till konventionella lasrar. När det gäller utgångslägen faller attosecondlasrar under kategorin pulsade lasrar, kännetecknade av deras ytterst korta pulslängder. För att göra en analogi för klarhet kan man föreställa sig kontinuerliga våglasrar som liknar en ficklampa som avger en kontinuerlig ljusstråle, medan pulsade lasrar liknar ett stroboskopljus, som snabbt växlar mellan perioder av belysning och mörker. I huvudsak uppvisar attosecond-lasrar ett pulserande beteende inom belysningen och mörkret, men deras övergång mellan de två tillstånden sker med en häpnadsväckande frekvens och når attosekunders rike.

Ytterligare kategorisering efter effekt placerar lasrar i lågeffekts-, mediumeffekt- och högeffektskonsoler. Attosecond-lasrar uppnår hög toppeffekt på grund av deras extremt korta pulslängd, vilket resulterar i en uttalad toppeffekt (P) – definierad som energiintensiteten per tidsenhet (P=W/t). Även om individuella attosekundlaserpulser kanske inte har exceptionellt stor energi (W), ger deras förkortade tidsmässiga utsträckning (t) dem förhöjd toppeffekt.

När det gäller tillämpningsdomäner spänner lasrar över ett spektrum som omfattar industriella, medicinska och vetenskapliga tillämpningar. Attosecond-lasrar hittar i första hand sin nisch inom området för vetenskaplig forskning, särskilt i utforskningen av snabbt utvecklande fenomen inom områdena fysik och kemi, och erbjuder ett fönster in i den mikrokosmiska världens snabba dynamiska processer.

Kategorisering efter lasermedium avgränsar lasrar som gaslasrar, solid state-lasrar, flytande lasrar och halvledarlasrar. Genereringen av attosekundslasrar hänger typiskt på gaslasermedia och drar nytta av olinjära optiska effekter för att skapa övertoner av hög ordning.

Sammanfattningsvis utgör attosekundslasrar en unik klass av kortpulslasrar, kännetecknade av deras utomordentligt korta pulslängder, vanligtvis mätt i attosekunder. Som ett resultat har de blivit oumbärliga verktyg för att observera och kontrollera de ultrasnabba dynamiska processerna för elektroner i atomer, molekyler och fasta material.

Den utarbetade processen för Attosecond Laser Generation

Attosecond-laserteknologin ligger i framkanten av vetenskaplig innovation, med en spännande uppsättning villkor för sin generation. För att belysa krångligheterna med attosekundlasergenerering börjar vi med en kortfattad beskrivning av dess underliggande principer, följt av levande metaforer som härrör från vardagliga upplevelser. Läsare som inte känner till den relevanta fysikens krångligheter behöver inte misströsta, eftersom de efterföljande metaforerna syftar till att göra den grundläggande fysiken för attosekundslasrar tillgänglig.

Genereringsprocessen av attosecondlasrar bygger i första hand på tekniken som kallas High Harmonic Generation (HHG). För det första fokuseras en stråle av högintensiva femtosekunders (10^-15 sekunder) laserpulser tätt på ett gasformigt målmaterial. Det är värt att notera att femtosekundslasrar, i likhet med attosekundslasrar, delar egenskaperna med att ha korta pulslängder och hög toppeffekt. Under påverkan av det intensiva laserfältet frigörs elektroner i gasatomerna tillfälligt från deras atomkärnor och går övergående in i ett tillstånd av fria elektroner. När dessa elektroner oscillerar som svar på laserfältet, återvänder de så småningom till och rekombineras med sina moderatomkärnor, vilket skapar nya högenergitillstånd.

Under denna process rör sig elektroner med extremt höga hastigheter, och vid rekombination med atomkärnorna frigör de ytterligare energi i form av höga harmoniska emissioner, som manifesterar sig som högenergifotoner.

Frekvenserna för dessa nygenererade högenergifotoner är heltalsmultiplar av den ursprungliga laserfrekvensen, och bildar vad som kallas övertoner av hög ordning, där "övertoner" betecknar frekvenser som är integrerade multiplar av den ursprungliga frekvensen. För att uppnå attosekundslasrar blir det nödvändigt att filtrera och fokusera dessa övertoner av hög ordning, välja specifika övertoner och koncentrera dem till en brännpunkt. Om så önskas kan pulskompressionstekniker ytterligare förkorta pulslängden, vilket ger ultrakorta pulser i attosekundens intervall. Uppenbarligen utgör genereringen av attosecondlasrar en sofistikerad och mångfacetterad process som kräver en hög grad av teknisk skicklighet och specialiserad utrustning.

För att avmystifiera denna intrikata process erbjuder vi en metaforisk parallell grundad i vardagliga scenarier:

Högintensiva femtosekundlaserpulser:

Föreställ dig att du har en exceptionellt potent katapult som omedelbart kan kasta stenar i kolossala hastigheter, liknande rollen som högintensiva femtosekundlaserpulser spelar.

Gasformigt målmaterial:

Föreställ dig en lugn vattenmassa som symboliserar det gasformiga målmaterialet, där varje droppe vatten representerar otaliga gasatomer. Handlingen att driva fram stenar i denna vattenmassa speglar analogt inverkan av högintensiva femtosekundlaserpulser på det gasformiga målmaterialet.

Elektronrörelse och rekombination (fysiskt kallad övergång):

När femtosekundlaserpulser påverkar gasatomerna i det gasformiga målmaterialet, exciteras ett betydande antal yttre elektroner momentant till ett tillstånd där de lossnar från sina respektive atomkärnor och bildar ett plasmaliknande tillstånd. När systemets energi därefter minskar (eftersom laserpulserna är i sig pulsade, med intervaller för upphörande), återvänder dessa yttre elektroner till sin närhet av atomkärnorna och frigör högenergifotoner.

Generation av hög harmonisk:

Föreställ dig att varje gång en vattendroppe faller tillbaka till sjöns yta skapar den krusningar, ungefär som höga övertoner i attosekundslasrar. Dessa krusningar har högre frekvenser och amplituder än de ursprungliga krusningarna som orsakas av den primära femtosekundlaserpulsen. Under HHG-processen lyser en kraftfull laserstråle, som liknar att kontinuerligt kasta stenar, ett gasmål som liknar sjöns yta. Detta intensiva laserfält driver elektroner i gasen, analogt med krusningar, bort från sina moderatomer och drar dem sedan tillbaka. Varje gång en elektron återvänder till atomen sänder den ut en ny laserstråle med en högre frekvens, som liknar mer invecklade krusningsmönster.

Filtrering och fokusering:

Att kombinera alla dessa nygenererade laserstrålar ger ett spektrum av olika färger (frekvenser eller våglängder), av vilka några utgör attosecond-lasern. För att isolera specifika rippelstorlekar och frekvenser kan du använda ett specialiserat filter, liknande att välja önskade rippel, och använda ett förstoringsglas för att fokusera dem på ett specifikt område.

Pulskompression (om nödvändigt):

Om du siktar på att sprida krusningar snabbare och kortare kan du påskynda deras fortplantning med en specialiserad anordning, vilket minskar tiden varje krusning varar. Genereringen av attosecondlasrar innebär ett komplext samspel av processer. Men när det bryts ner och visualiseras blir det mer begripligt.