V významném oznámení o večeru 3. října 2023 byla odhalena Nobelova cena ve fyzice za rok 2023 a uznala vynikající příspěvky tří vědců, kteří hráli klíčové role jako průkopníky v oblasti Attosecond Laser Technology.

Termín „Attosecond Laser“ pochází ze svého názvu z neuvěřitelně krátkého časového úseku, na kterém působí, konkrétně v pořadí AttoseConds, což odpovídá 10^-18 sekund. Abychom pochopili hluboký význam této technologie, je zásadní porozumění toho, co znamená attosekunda, prvořadé. Attosekundová stojí jako mimořádně minutová jednotka času a představuje jednu miliardu miliardy sekundy v širším kontextu jedné sekundy. Abychom to uvedli do perspektivy, pokud bychom měli přirovnat vteřinu k tyčící se hoře, byla by attosekunda podobná jedinému zrnu písku zasazeného na horské základně. V tomto prchavém časovém intervalu může dokonce i světlo stěží procházet vzdáleností ekvivalentní velikosti jednotlivého atomu. Prostřednictvím využití Attosekundových laserů získávají vědci bezprecedentní schopnost kontrolovat a manipulovat s složitou dynamikou elektronů v atomových strukturách, podobně jako s frame-po-frame pomalý přehrávání v filmové sekvenci, čímž se ponoří do jejich souhra.

Attosekundové laseryPředstavují vyvrcholení rozsáhlého výzkumu a společného úsilí vědců, kteří využili principy nelineární optiky pro vytváření ultrarychlých laserů. Jejich příchod nám poskytl inovativní výhodné místo pro pozorování a zkoumání dynamických procesů, které se procházejí v atomech, molekulách a dokonce i elektronech v pevných materiálech.

Abychom objasnili povahu atosekundových laserů a ocenili jejich nekonvenční atributy ve srovnání s konvenčními lasery, je nezbytné prozkoumat jejich kategorizaci v širší „laserové rodině“. Klasifikace podle vlnových délek umístí ATTOSECOND LASERS převážně v rozsahu ultrafialových až měkkých rentgenových frekvencí, což znamená jejich výrazně kratší vlnové délky na rozdíl od konvenčních laserů. Z hlediska výstupních režimů spadají do kategorie pulzních laserů, které jsou charakterizované jejich mimořádně krátké trvání pulzů. Chcete-li nakreslit analogii pro jasnost, lze si představit lasery s kontinuální vlnou tak, jak se podobá baterce vyzařujícím kontinuální paprsek světla, zatímco pulzní lasery se podobají strobovému světlu a rychle se střídají mezi obdobími osvětlení a temnoty. Attosekundové lasery v podstatě vykazují pulzující chování v osvětlení a temnotě, ale jejich přechod mezi dvěma státy se projevuje při úžasné frekvenci a dosahuje říše atosekund.

Další kategorizace podle Power Umístí lasery do nízkoenergetických, středních a vysoce výkonných závorek. Attosekundové lasery dosahují vysokého maximálního výkonu díky jejich extrémně krátkému trvání pulzů, což má za následek výraznou špičkovou energii (P) - definované jako intenzita energie za jednotku času (P = W/T). Ačkoli jednotlivé atosekundové laserové impulsy nemusí mít výjimečně velkou energii (W), jejich zkrácená časová rozsah (T) je propůjčuje zvýšenou maximální energií.

Pokud jde o aplikační domény, lasery pokrývají spektrum zahrnující průmyslové, lékařské a vědecké aplikace. Attosekundové lasery primárně najdou své místo v oblasti vědeckého výzkumu, zejména při zkoumání rychle se vyvíjejících jevů v doménách fyziky a chemie, které nabízejí okno do mikrokosmických rychlých dynamických procesů.

Kategorizace laserovým středním vymezením laserů jako plynových laserů, laserů v pevném stavu, kapalné lasery a polovodičové lasery. Generování atosekundových laserů obvykle závisí na plynových laserových médiích a vydělává na nelineárních optických účincích, aby vyvolalo harmonické vysoké řády.

Stručně řečeno, Attosekundové lasery představují jedinečnou třídu laserů s krátkým pulsem, která se vyznačuje jejich mimořádně krátkým trváním pulzů, obvykle měřená v attosekundách. Výsledkem je, že se stali nepostradatelnými nástroji pro pozorování a kontrolu ultrarychlých dynamických procesů elektronů v atomech, molekulách a pevných materiálech.

Komplikovaný proces generování Attosecond Laser

Technologie AttoseCond Laser stojí v popředí vědeckých inovací a může se pochlubit zajímavě přísným souborem podmínek pro svou generaci. Abychom objasnili složitosti generování atosekundového laseru, začneme stručnou expozicí jeho základních principů, po kterém následuje živé metafory odvozené z každodenních zkušeností. Čtenáři, kteří jsou v složitosti relevantní fyziky, nemusí zoufalství, protože následné metafory si kladou za cíl zpřístupnit základní fyziku atosekundových laserů.

Proces generování atosekund laserů se primárně spoléhá na techniku ​​známou jako vysoká harmonická generace (HHG). Za prvé, paprsek femtosekundové femtosekundy s vysokou intenzitou (10^-15 sekund) laserových impulsů je pevně zaostřen na plynný cílový materiál. Stojí za zmínku, že femtosekundové lasery, podobné atosekundovým laserům, sdílejí vlastnosti držení krátkého trvání pulsů a vysoké špičkové síly. Pod vlivem intenzivního laserového pole jsou elektrony v atomech plynu na okamžik osvobozeny od atomových jádra, přechodně vstupují do stavu volných elektronů. Protože tyto elektrony oscilují v reakci na laserové pole, nakonec se vracejí a rekombinují se svými rodičovskými atomovými jádry a vytvářejí nové vysokoenergetické stavy.

Během tohoto procesu se elektrony pohybují při extrémně vysokých rychlostech a po rekombinaci s atomovými jádry uvolňují další energii ve formě vysokých harmonických emisí, které se projevují jako fotony s vysokou energií.

Frekvence těchto nově generovaných vysokoenergetických fotonů jsou celočíselné násobky původní laserové frekvence, které tvoří to, co se nazývá harmonické, kde „harmonické“ označuje frekvence, které jsou nedílnou násobky původní frekvence. K dosažení Attosekundových laserů je nezbytné filtrovat a zaměřit tyto harmonické vysokého řádu, výběr specifických harmonických a jejich soustředění do ohniskového bodu. Pokud je to žádoucí, mohou techniky komprese pulzů dále zkratka doba trvání pulsu, což poskytuje velmi krátké impulsy v atosekundovém rozsahu. Generace Attosekundových laserů je zjevně sofistikovaný a mnohostranný proces, který vyžaduje vysoký stupeň technické zdatnosti a specializovaného vybavení.

Abychom demystifikovali tento složitý proces, nabízíme metaforický paralelní zakotvený v každodenních scénářích:

Femtosekundové laserové impulsy s vysokou intenzitou:

Představte si, že má výjimečně silný katapult schopný okamžitě vrhnout kameny při kolosálních rychlostech, podobný roli, kterou hrají femtosekundové laserové pulzy s vysokou intenzitou.

Plynulý cílový materiál:

Představte si klidné vodní útvar, který symbolizuje plynný cílový materiál, kde každá kapička vody představuje nesčetné atomy plynu. Akt pohánění kamenů do tohoto útvaru vody analogicky odráží dopad femtosekundových laserových pulsů na plynném cílovém materiálu.

Elektronový pohyb a rekombinace (fyzicky nazývaná přechod):

Když femtosekundové laserové pulsy ovlivňují atomy plynu v plynném cílovém materiálu, je významný počet vnějších elektronů na okamžik nadšený stavem, kde se oddělí od příslušných atomových jádra a vytvářejí stav podobný plazmě. Jak se energie systému následně snižuje (protože laserové pulzy jsou ze své podstaty pulzované a mají intervaly ukončení), tyto vnější elektrony se vracejí do jejich blízkosti atomových jádra a uvolňují fotony s vysokou energií.

Vysoká harmonická generace:

Představte si pokaždé, když kapička vody spadne zpět na povrch jezera, vytváří vlnky, podobně jako vysoké harmonické v Attosekundových laserech. Tyto vlnky mají vyšší frekvence a amplitudy než původní vlnky způsobené primárním femtosekundovým laserovým pulsem. Během procesu HHG, výkonný laserový paprsek, který se podobá nepřetržitě házející kameny, osvětluje plynový cíl, připomínající povrch jezera. Toto intenzivní laserové pole pohání elektrony do plynu, analogické vlnky, pryč od jejich rodičovských atomů a poté je odtáhne zpět. Pokaždé, když se elektron vrátí do atomu, vydává nový laserový paprsek s vyšší frekvencí, podobný složitějším zvlněným vzorům.

Filtrování a zaostření:

Kombinace všech těchto nově generovaných laserových paprsků poskytuje spektrum různých barev (kmitočty nebo vlnové délky), z nichž některé tvoří atosekundový laser. Chcete -li izolovat specifické velikosti a frekvence zvlnění, můžete použít specializovaný filtr, podobný výběru požadovaných vln a použít zvětšovací sklo pro jejich zaostření na konkrétní oblast.

Komprese pulsů (je -li to nutné):

Pokud se snažíte šířit vlnky rychleji a kratší, můžete jejich šíření urychlit pomocí specializovaného zařízení, čímž se zkrátí doba, kdy každý zvlnění trvá. Generování atosekundových laserů zahrnuje komplexní souhru procesů. Když se však rozpadne a vizualizuje, je to srozumitelnější.