V rozsiahlom oznámení vo večera 3. októbra 2023 bola odhalená Nobelova cena za fyziku za rok 2023, ktoré uznali vynikajúce príspevky troch vedcov, ktorí hrali kľúčové úlohy ako priekopníci v oblasti AtoseCond Laser Technology.

Termín „AtoseCond Laser“ odvodzuje svoj názov z neuveriteľne krátkeho časového harmonogramu, na ktorom pracuje, konkrétne v poradí Attoseconds, čo zodpovedá 10^-18 sekundy. Aby sme pochopili hlboký význam tejto technológie, je prvoradé zásadné porozumenie toho, čo AttoseCond znamená. Attosekund je ako mimoriadne minútová jednotka času, ktorá predstavuje jednu miliardu miliardy sekundy v širšom kontexte jednej sekundy. Aby sme to uviedli do perspektívy, ak by sme mali prirovnať sekundu k vrcholnej hore, prítomnosť by bola podobná jedinému zrnku piesku zasadeného na základni hory. V tomto prchavom časovom intervale môže dokonca aj svetlo sotva prechádzať vzdialenosťou rovnocennou s veľkosťou jednotlivého atómu. Prostredníctvom využitia attosekundových laserov vedci získajú bezprecedentnú schopnosť skúmať a manipulovať s zložitou dynamikou elektrónov v atómových štruktúrach, čo sa podobá pomalému prehĺbeniu rámu po rámci v filmovej sekvencii, čím sa ponorí do ich súhry.

LaseryPredstavujú vyvrcholenie rozsiahleho výskumu a spoločného úsilia vedcov, ktorí využili princípy nelineárnej optiky na výrobu ultrarýchle laserov. Ich advent nám poskytol inovatívny výhodný bod na pozorovanie a skúmanie dynamických procesov, ktoré sa prechádzajú v atómoch, molekulách a dokonca aj elektronoch v tuhých materiáloch.

Aby sa objasnilo povahu attosekundových laserov a ocenili ich nekonvenčné atribúty v porovnaní s konvenčnými lasermi, je nevyhnutné preskúmať ich kategorizáciu v rámci širšej „laserovej rodiny“. Klasifikácia pomocou vlnovej dĺžky umiestňuje atosekundové lasery prevažne v rozsahu ultrafialových až mäkkých röntgenových frekvencií, čo znamená, že ich výrazne kratšie vlnové dĺžky na rozdiel od konvenčných laserov. Pokiaľ ide o výstupné režimy, lasery AttoseCond patria do kategórie pulzných laserov, ktorá sa vyznačuje improvilne krátkym trvaním impulzov. Aby sme nakreslili analógiu pre čistotu, je možné si predstaviť lasery s kontinuálnymi vlnami ako baterka emitujúca kontinuálny lúč svetla, zatiaľ čo pulzované lasery sa podobajú strobnému svetlu, ktoré sa rýchlo striedajú medzi obdobiami osvetlenia a tmy. Attosekundové lasery v podstate vykazujú pulzujúce správanie v rámci osvetlenia a tmy, ale ich prechod medzi týmito dvoma štátmi sa prejavuje úžasnou frekvenciou a dosahuje ríšu attosekúnd.

Ďalšia kategorizácia pomocou napájania umiestni lasery do konzoly s nízkym výkonom, stredne výkonnej a vysokej výkonnosti. Attosekundové lasery dosahujú vysokú maximálnu silu v dôsledku ich extrémne krátkych tržov pulzov, čo vedie k výraznému maximálnemu výkonu (P) - definovanej ako intenzita energie na jednotku času (p = w/t). Aj keď jednotlivé attosekundové laserové impulzy nemusia mať mimoriadne veľkú energiu (W), ich skrátený časový rozsah (T) ich dodáva zvýšenou špičkovou energiou.

Pokiaľ ide o aplikačné domény, lasery pokrývajú spektrum zahŕňajúce priemyselné, lekárske a vedecké aplikácie. Attosekundové lasery primárne nachádzajú svoje miesto v oblasti vedeckého výskumu, najmä pri skúmaní rýchlo sa rozvíjajúcich javov v oblasti fyziky a chémie a ponúkajú okno do mikrokozmických svetových dynamických procesov.

Kategorizácia pomocou laserového média vymedzuje lasery ako plynové lasery, lasery v tuhom stave, tekuté lasery a polovodičové lasery. Generovanie attosekundových laserov zvyčajne závisí od plynových laserových médií, ktoré využívajú nelineárne optické účinky na vyvolanie harmonických harmonických vysokých rád.

Stručne povedané, lasery AttoseCond tvoria jedinečnú triedu laserov s krátkym impulzom, ktorá sa vyznačuje ich mimoriadne krátkym trvaním impulzov, ktoré sa zvyčajne merajú v attosekundách. Výsledkom je, že sa stali nevyhnutnými nástrojmi na pozorovanie a riadenie ultra rýchlych dynamických procesov elektrónov v atómoch, molekulách a tuhých materiáloch.

Komplikovaný proces generovania laserových laserov

Technológia AtoseCond Laser je v popredí vedeckých inovácií a môže sa pochváliť intrigutívne prísnymi súbormi podmienok pre svoju tvorbu. Aby sme objasnili zložitosti attosekundovej laserovej generácie, začíname stručnou expozíciou jej základných princípov, po ktorých nasledujú živé metafory odvodené z každodenných skúseností. Čitatelia, ktorí sa nezúčastňujú na zložitosti príslušnej fyziky, nemusia zúfalstvo, pretože cieľom následných metafor je sprístupniť základnú fyziku attosekundových laserov.

Proces generovania attosekundových laserov sa predovšetkým spolieha na techniku ​​známu ako vysoká harmonická generácia (HHG). Po prvé, lúč laserových impulzov s vysokou intenzitou femtosekund (10^-15 sekundy) je pevne zaostrený na plynný cieľový materiál. Je potrebné poznamenať, že femtosekundové lasery, podobné AtoseCond laserom, zdieľajú charakteristiky vlastnenia krátkodobých tržov pulzov a vysokej maximálnej sily. Pod vplyvom intenzívneho laserového poľa sú elektróny v atómoch plynu na chvíľu uvoľnené z ich atómových jadier, ktoré prechodne vstupujú do stavu voľných elektrónov. Keď tieto elektróny oscilujú v reakcii na laserové pole, nakoniec sa vracajú a rekombinujú so svojimi rodičovskými atómovými jadrami, čím vytvárajú nové vysokovýkonné stavy.

Počas tohto procesu sa elektróny pohybujú s extrémne vysokými rýchlosťami a po rekombinácii atómovými jadrami uvoľňujú ďalšiu energiu vo forme vysokých harmonických emisií, ktoré sa prejavujú ako vysoko energetické fotóny.

Frekvencie týchto novo generovaných vysokoenergetických fotónov sú celočíselné násobky pôvodnej laserovej frekvencie, ktoré tvoria to, čo sa nazýva harmonika vysokého poriadku, kde „harmonika“ označuje frekvencie, ktoré sú neoddeliteľnou násobkou pôvodnej frekvencie. Na dosiahnutie attosekundových laserov je potrebné filtrovať a zaostrovať tieto harmonické harmoniky, výber špecifických harmonických a sústrediť ich do ústredného bodu. Ak je to potrebné, techniky kompresie impulzov môžu ďalej skrátiť trvanie impulzu, čím sa poskytnú ultra-krátke impulzy v rozsahu atosekundu. Je zrejmé, že tvorba attosekundových laserov predstavuje sofistikovaný a mnohostranný proces, ktorý požaduje vysoký stupeň technickej zdatnosti a špecializovaného vybavenia.

Aby sme demystifikovali tento zložitý proces, ponúkame metaforickú paralelnú paralelnú v každodenných scenároch:

Femtosekundové laserové impulzy s vysokou intenzitou:

Envision, ktorý má výnimočne silný katapult schopný okamžite hodiť kamene pri kolosálnych rýchlostiach, podobne ako úloha, ktorú zohrávajú femtosekundové laserové impulzy s vysokou intenzitou.

Plynný cieľový materiál:

Predstavte si pokojné vodné množstvo vody, ktoré symbolizuje plynný cieľový materiál, kde každá kvapka vody predstavuje nespočetné množstvo plynových atómov. Akt pohonných kameňov do tohto útvaru vody analogicky odráža vplyv femtosekundových laserových impulzov s vysokou intenzitou na plynný cieľový materiál.

Elektrónový pohyb a rekombinácia (fyzicky nazývaný prechod):

Keď femtosekundové laserové impulzy ovplyvňujú atómy plynu v plynnom cieľovom materiáli, významný počet vonkajších elektrónov je na chvíľu nadšený do stavu, v ktorom sa oddeľujú od svojich atómových jadier, čím tvoria stav podobný plazme. Keďže energia systému sa následne znižuje (pretože laserové impulzy sú neodmysliteľne pulzované, predstavujúce intervaly ukončenia), tieto vonkajšie elektróny sa vracajú do svojej blízkosti atómových jadier a uvoľňujú vysoko energetické fotóny.

Vysoká harmonická generácia:

Predstavte si zakaždým, keď kvapka vody spadne späť na povrch jazera, vytvára vlnky, podobne ako vysoké harmonické v attosekundových laseroch. Tieto vlnky majú vyššie frekvencie a amplitúdy ako pôvodné vlnky spôsobené primárnym femtosekundovým laserovým impulzom. Počas procesu HHG, silný laserový lúč, podobný nepretržite hádzajúcim kamene, osvetľuje plynový cieľ, ktorý pripomína povrch jazera. Toto intenzívne laserové pole poháňa elektróny v plyne, analogické vlnami, mimo ich rodičovských atómov a potom ich odtiahne späť. Zakaždým, keď sa elektrón vráti na atóm, emituje nový laserový lúč s vyššou frekvenciou, podobnou zložitejším vzorom zvlnenia.

Filtrovanie a zaostrenie:

Kombinácia všetkých týchto novo generovaných laserových lúčov poskytuje spektrum rôznych farieb (frekvencie alebo vlnové dĺžky), z ktorých niektoré tvoria laser AtoseCond. Na izoláciu špecifických veľkostí a frekvencií zvlnenia môžete použiť špecializovaný filter, ktorý sa podobá výberu požadovaných vlniek, a využívať lupy na ich zaostrenie na konkrétnu oblasť.

Kompresia pulzov (ak je to potrebné):

Ak sa snažíte šíriť vlnky rýchlejšie a kratšie, môžete ich šírenie urýchliť pomocou špecializovaného zariadenia, čím sa skráti čas, ktorý každá vlna vydrží. Generovanie attosekundových laserov zahŕňa komplexnú súhru procesov. Keď sa však rozpadne a vizualizuje, stáva sa zrozumiteľnejším.