I ett betydelsefullt tillkännagivande på kvällen den 3 oktober 2023 avslöjades Nobelpriset i fysik för år 2023 och erkände de enastående bidrag från tre forskare som har spelat viktiga roller som pionjärer inom riket med attosekund laserteknik.

Termen "attosekundslaser" härleder sitt namn från den oerhört korta tidsskalan som den verkar på, särskilt i storleksordningen attosekunder, motsvarande 10^-18 sekunder. För att förstå den djupa betydelsen av denna teknik är en grundläggande förståelse av vad ett attosekund betecknar. En attosekund står som en mycket minut enhetsenhet och utgör en miljardedel av en miljardh en sekund inom det bredare sammanhanget av en enda sekund. För att sätta detta i perspektiv, om vi skulle jämföra en sekund till ett högt berg, skulle ett attosekund likna ett enda sandkorn inbäddat vid bergets bas. I detta flyktiga temporära intervall kan till och med ljus knappt korsa ett avstånd motsvarande storleken på en individuell atom. Genom användning av attosekundslasrar får forskare den enastående förmågan att granska och manipulera den intrikata dynamiken i elektroner inom atomstrukturer, besläktade med en ram-för-ram långsam upprepning i en filmisk sekvens och därmed djupt i deras samspel.

AttosekundlasrarRepresentera kulminationen på omfattande forskning och samordnade insatser från forskare, som har utnyttjat principerna för olinjär optik för att skapa ultrasnabba lasrar. Deras advent har tillhandahållit oss med en innovativ utsiktspunkt för observation och utforskning av de dynamiska processerna som inträffar inom atomer, molekyler och till och med elektroner i fasta material.

För att belysa arten av attosekundslasrar och uppskatta deras okonventionella attribut i jämförelse med konventionella lasrar, är det absolut nödvändigt att utforska deras kategorisering inom den bredare "laserfamiljen". Klassificering av våglängden placerar attosekundslasrar främst inom intervallet av ultraviolett till mjuka röntgenfrekvenser, vilket betyder deras särskilt kortare våglängder i motsats till konventionella lasrar. När det gäller utgångslägen faller attosekundslasrar under kategorin pulserade lasrar, kännetecknade av deras mycket korta pulsvaror. För att dra en analogi för tydlighet kan man föreställa sig kontinuerliga vågslasrar som besläktade med en ficklampa som släpper ut en kontinuerlig ljusstråle, medan pulserade lasrar liknar ett strobel-ljus och växlar snabbt mellan perioder av belysning och mörker. I huvudsak uppvisar attosekundslasrar ett pulserande beteende inom belysningen och mörkret, men deras övergång mellan de två staterna inträffar vid en häpnadsväckande frekvens och når riket av attosekunder.

Ytterligare kategorisering av kraft placerar lasrar till lågeffekt, medelkraft och högeffekt. Attosekundslasrar uppnår hög toppeffekt på grund av deras extremt korta pulsvarvaror, vilket resulterar i en uttalad toppeffekt (P) - definierad som intensiteten för energi per enhetstid (p = vikt/t). Även om enskilda attosekund laserpulser kanske inte har exceptionellt stor energi (W), ger deras förkortade temporär utsträckning (T) dem med förhöjd toppeffekt.

När det gäller applikationsdomäner sträcker sig lasrar ett spektrum som omfattar industriella, medicinska och vetenskapliga tillämpningar. Attosekundslasrar finner främst sin nisch inom vetenskaplig forskning, särskilt i utforskningen av snabbt utvecklande fenomen inom domänerna för fysik och kemi och erbjuder ett fönster i den mikrokosmiska världens snabba dynamiska processer.

Kategorisering av lasermedium avgränsar lasrar som gaslasrar, fast tillståndslasrar, flytande lasrar och halvledarlasrar. Genereringen av attosekundslasrar hänger vanligtvis på gaslasermedia och utnyttjar icke-linjära optiska effekter för att skapa högordning harmonik.

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

Den utarbetade processen för attosekund lasergenerering

Attosekund laserteknologi står i framkant inom vetenskaplig innovation och har en spännande rigorös uppsättning villkor för dess generation. För att belysa komplikationerna i attosekund lasergenerering börjar vi med en kortfattad utställning av dess underliggande principer, följt av livliga metaforer härrörande från vardagliga upplevelser. Läsarna som inte är oöverträffade i den relevanta fysikens komplikationer behöver inte förtvivla, eftersom de efterföljande metaforerna syftar till att göra den grundläggande fysiken för attosekund lasrar tillgängliga.

Generationsprocessen för attosekundslasrar förlitar sig främst på den teknik som kallas High Harmonic Generation (HHG). För det första är en stråle av högintensiv femtosekund (10^-15 sekunder) laserpulser tätt fokuserad på ett gasformigt målmaterial. Det är värt att notera att femtosekundslasrar, besläktade med attosekundslasrar, delar egenskaperna för att ha korta pulsvaraktigheter och hög toppeffekt. Under påverkan av det intensiva laserfältet frigörs elektroner i gasatomerna tillfälligt från sina atomkärnor och kommer övergående in i ett tillstånd av fria elektroner. När dessa elektroner oscillerar som svar på laserfältet, återvänder de så småningom till och rekombinerar med sina förälder atomkärnor, vilket skapar nya högenergi.

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

Frekvenserna för dessa nyligen genererade högenergifotoner är heltal multiplar av den ursprungliga laserfrekvensen, och bildar vad som kallas högordning harmonik, där "harmonik" betecknar frekvenser som är integrerade multiplar av den ursprungliga frekvensen. För att uppnå attosekundslasrar blir det nödvändigt att filtrera och fokusera dessa högordning harmonier, välja specifika harmonier och koncentrera dem till en kontaktpunkt. Om så önskas kan pulskomprimeringstekniker ytterligare förkorta pulsvaraktigheten, vilket ger ultrakortpulser i attosekundområdet. Uppenbarligen utgör genereringen av attosekundslasrar en sofistikerad och mångfacetterad process som kräver en hög grad av teknisk förmåga och specialiserad utrustning.

För att avmystifiera denna komplicerade process erbjuder vi en metaforisk parallell grundad i vardagsscenarier:

Femtosekund laserpulser med hög intensitet:

Envision har en exceptionellt potent katapult som kan omedelbart kasta stenar med kolossala hastigheter, besläktade med den roll som spelas av högintensiv femtosekund laserpulser.

Gasiskt målmaterial:

Föreställ dig en lugn vattendrag som symboliserar det gasformiga målmaterialet, där varje vattendropp representerar otaliga gasatomer. Handlingen med att driva stenar i denna vattenmassa speglar analogt effekterna av högintensiv femtosekund laserpulser på det gasformiga målmaterialet.

Elektronrörelse och rekombination (fysiskt benämnd övergång):

När femtosekund laserpulser påverkar gasatomerna i det gasformiga målmaterialet, är ett betydande antal yttre elektroner tillfälligt upphetsade till ett tillstånd där de lossnar från sina respektive atomkärnor och bildar ett plasmliknande tillstånd. När systemets energi därefter minskar (eftersom laserpulserna i sig är pulserade, med intervaller av upphörande), återgår dessa yttre elektroner till deras närhet av atomkärnorna och släpper högenergifotoner.

Hög harmonisk generation:

Föreställ dig varje gång en vattendropp faller tillbaka till sjöns yta, skapar det krusningar, ungefär som höga harmonier i attosekundslasrar. Dessa krusningar har högre frekvenser och amplituder än de ursprungliga krusningarna orsakade av den primära femtosekund laserpulsen. Under HHG -processen belyser en kraftfull laserstråle, som ständigt kastar stenar, ett gasmål som liknar sjöns yta. Detta intensiva laserfält driver elektroner i gasen, analoga med krusningar, bort från sina förälderatomer och drar dem sedan tillbaka. Varje gång en elektron återgår till atomen avger den en ny laserstråle med en högre frekvens, besläktad med mer intrikata krusningsmönster.

Filtrering och fokusering:

Att kombinera alla dessa nyligen genererade laserstrålar ger ett spektrum av olika färger (frekvenser eller våglängder), av vilka några utgör attosekund laser. För att isolera specifika krusningsstorlekar och frekvenser kan du använda ett specialiserat filter, likna att välja önskade krusningar och använda ett förstoringsglas för att fokusera dem på ett specifikt område.

Pulskomprimering (vid behov):

Om du strävar efter att sprida krusningar snabbare och kortare kan du påskynda deras förökning med en specialiserad enhet, vilket minskar tiden varje krusning varar. Genereringen av attosekundslasrar involverar ett komplext samspel av processer. Men när det bryts ner och visualiseras blir det mer begripligt.