Večer 3. októbra 2023 bola v významnom oznámení odhalená Nobelova cena za fyziku za rok 2023, ktorá uznáva mimoriadny prínos troch vedcov, ktorí zohrali kľúčovú úlohu ako priekopníci v oblasti attosekundovej laserovej technológie.

Termín „atosekundový laser“ je odvodený od neuveriteľne krátkeho časového rámca, v ktorom pracuje, konkrétne v ráde attosekúnd, čo zodpovedá 10^-18 sekundám. Pre pochopenie hlbokého významu tejto technológie je nevyhnutné základné pochopenie toho, čo attosekunda znamená. Attosekunda predstavuje mimoriadne krátku jednotku času, ktorá predstavuje jednu miliardtinu miliardtiny sekundy v širšom kontexte jednej sekundy. Aby sme to uviedli do perspektívy, ak by sme mali prirovnať sekundu k týčiacej sa hore, attosekunda by sa podobala jedinému zrnku piesku ukrytému na úpätí hory. V tomto prchavom časovom intervale dokonca aj svetlo sotva prekoná vzdialenosť zodpovedajúcu veľkosti jednotlivého atómu. Vďaka využitiu attosekundových laserov vedci získavajú bezprecedentnú schopnosť skúmať a manipulovať so zložitou dynamikou elektrónov v atómových štruktúrach, podobne ako spomalené prehrávanie snímku po snímke vo filmovej sekvencii, a tým sa ponárať do ich vzájomného pôsobenia.

Atosekundové laserypredstavujú vyvrcholenie rozsiahleho výskumu a spoločného úsilia vedcov, ktorí využili princípy nelineárnej optiky na vytvorenie ultrarýchlych laserov. Ich príchod nám poskytol inovatívny pohľad na pozorovanie a skúmanie dynamických procesov prebiehajúcich v atómoch, molekulách a dokonca aj elektrónoch v pevných materiáloch.

Aby sme objasnili podstatu atosekundových laserov a ocenili ich nekonvenčné vlastnosti v porovnaní s konvenčnými lasermi, je nevyhnutné preskúmať ich kategorizáciu v rámci širšej „rodiny laserov“. Klasifikácia podľa vlnovej dĺžky zaraďuje atosekundové lasery prevažne do rozsahu ultrafialových až mäkkých röntgenových frekvencií, čo znamená ich výrazne kratšie vlnové dĺžky v porovnaní s konvenčnými lasermi. Pokiaľ ide o výstupné režimy, atosekundové lasery patria do kategórie pulzných laserov, ktoré sa vyznačujú mimoriadne krátkym trvaním pulzov. Pre lepšiu prehľadnosť si možno predstaviť lasery s kontinuálnou vlnou ako baterku vyžarujúcu kontinuálny lúč svetla, zatiaľ čo pulzné lasery pripomínajú stroboskopické svetlo, ktoré sa rýchlo strieda medzi obdobiami osvetlenia a tmy. V podstate atosekundové lasery vykazujú pulzujúce správanie v rámci osvetlenia a tmy, no ich prechod medzi týmito dvoma stavmi prebieha s ohromujúcou frekvenciou a dosahuje úroveň atosekúnd.

Ďalšie rozdelenie podľa výkonu zaraďuje lasery do skupín s nízkym, stredným a vysokým výkonom. Atosekundové lasery dosahujú vysoký špičkový výkon vďaka extrémne krátkym trvaniam impulzov, čo má za následok výrazný špičkový výkon (P) – definovaný ako intenzita energie za jednotku času (P=W/t). Hoci jednotlivé atosekundové laserové impulzy nemusia mať výnimočne veľkú energiu (W), ich skrátený časový rozsah (t) im dodáva zvýšený špičkový výkon.

Pokiaľ ide o oblasti použitia, lasery pokrývajú spektrum zahŕňajúce priemyselné, lekárske a vedecké aplikácie. Atosekundové lasery nachádzajú svoje uplatnenie predovšetkým v oblasti vedeckého výskumu, najmä pri skúmaní rýchlo sa vyvíjajúcich javov v oblastiach fyziky a chémie, a ponúkajú pohľad do rýchlych dynamických procesov mikrokozmického sveta.

Kategorizácia podľa laserového média rozdeľuje lasery na plynové lasery, lasery v pevnej fáze, kvapalinové lasery a polovodičové lasery. Generovanie atosekundových laserov zvyčajne závisí od plynového laserového média, ktoré využíva nelineárne optické efekty na generovanie vyšších harmonických.

Stručne povedané, attosekundové lasery predstavujú jedinečnú triedu laserov s krátkymi impulzmi, ktoré sa vyznačujú mimoriadne krátkym trvaním impulzov, typicky meraným v attosekundách. Vďaka tomu sa stali nevyhnutnými nástrojmi na pozorovanie a riadenie ultrarýchlych dynamických procesov elektrónov v atómoch, molekulách a pevných materiáloch.

Prepracovaný proces generovania atosekundového laseru

Technológia attosekundových laserov stojí na čele vedeckých inovácií a môže sa pochváliť zaujímavo prísnymi podmienkami pre svoju generáciu. Aby sme objasnili zložitosti generovania attosekundových laserov, začneme stručným výkladom jej základných princípov, po ktorom nasledujú živé metafory odvodené z každodenných skúseností. Čitatelia, ktorí nie sú oboznámení so zložitosťami príslušnej fyziky, nemusia zúfať, pretože nasledujúce metafory majú za cieľ sprístupniť základnú fyziku attosekundových laserov.

Proces generovania attosekundových laserov sa primárne spolieha na techniku ​​známu ako generovanie vysokých harmonických kmitočtov (HHG). Po prvé, lúč vysokointenzívnych femtosekundových (10^-15 sekúnd) laserových impulzov je pevne zaostrený na plynný cieľový materiál. Stojí za zmienku, že femtosekundové lasery, podobné attosekundovým laserom, majú spoločné charakteristiky krátkeho trvania impulzov a vysokého špičkového výkonu. Pod vplyvom intenzívneho laserového poľa sa elektróny v atómoch plynu na chvíľu uvoľnia zo svojich atómových jadier a prechodne sa dostanú do stavu voľných elektrónov. Keď tieto elektróny oscilujú v reakcii na laserové pole, nakoniec sa vrátia do svojich materských atómových jadier a rekombinujú sa s nimi, čím vytvárajú nové vysokoenergetické stavy.

Počas tohto procesu sa elektróny pohybujú extrémne vysokými rýchlosťami a pri rekombinácii s atómovými jadrami uvoľňujú dodatočnú energiu vo forme vysokoharmonických emisií, ktoré sa prejavujú ako fotóny s vysokou energiou.

Frekvencie týchto novovytvorených fotónov s vysokou energiou sú celočíselnými násobkami pôvodnej laserovej frekvencie a tvoria to, čo sa nazýva harmonické vyššieho rádu, kde „harmonické“ označujú frekvencie, ktoré sú celočíselnými násobkami pôvodnej frekvencie. Na dosiahnutie attosekundových laserov je potrebné filtrovať a zaostriť tieto harmonické vyššieho rádu, vybrať špecifické harmonické a sústrediť ich do ohniska. V prípade potreby môžu techniky kompresie impulzov ďalej skrátiť trvanie impulzu, čím sa dosiahnu ultrakrátke impulzy v attosekundovom rozsahu. Je zrejmé, že generovanie attosekundových laserov predstavuje sofistikovaný a mnohostranný proces, ktorý si vyžaduje vysoký stupeň technickej zdatnosti a špecializované vybavenie.

Aby sme demystifikovali tento zložitý proces, ponúkame metaforickú paralelu založenú na každodenných scenároch:

Vysokointenzívne femtosekundové laserové impulzy:

Predstavte si, že by ste mali mimoriadne silný katapult schopný okamžite vrhať kamene kolosálnou rýchlosťou, podobne ako to robia vysokointenzívne femtosekundové laserové pulzy.

Plynný cieľový materiál:

Predstavte si pokojnú vodnú plochu, ktorá symbolizuje plynný cieľový materiál, kde každá kvapka vody predstavuje nespočetné množstvo atómov plynu. Akt vrhania kameňov do tejto vodnej plochy analogicky odráža dopad vysokointenzívnych femtosekundových laserových impulzov na plynný cieľový materiál.

Pohyb a rekombinácia elektrónov (fyzikálne označovaný ako prechod):

Keď femtosekundové laserové impulzy dopadnú na atómy plynu v plynnom cieľovom materiáli, značný počet vonkajších elektrónov sa na chvíľu excituje do stavu, v ktorom sa oddelia od svojich príslušných atómových jadier a vytvoria stav podobný plazme. Keď sa energia systému následne znižuje (pretože laserové impulzy sú inherentne pulzné s intervalmi prerušenia), tieto vonkajšie elektróny sa vracajú do blízkosti atómových jadier a uvoľňujú fotóny s vysokou energiou.

Generovanie vysokých harmonických kmitov:

Predstavte si, že zakaždým, keď kvapka vody dopadne späť na hladinu jazera, vytvorí vlnky, podobné vysokým harmonickým v atosekundových laseroch. Tieto vlnky majú vyššie frekvencie a amplitúdy ako pôvodné vlnky spôsobené primárnym femtosekundovým laserovým impulzom. Počas procesu HHG silný laserový lúč, podobný neustále hádzaným kameňom, osvetľuje plynný cieľ pripomínajúci hladinu jazera. Toto intenzívne laserové pole poháňa elektróny v plyne, podobne ako vlnky, preč od ich materských atómov a potom ich ťahá späť. Vždy, keď sa elektrón vráti k atómu, vyžaruje nový laserový lúč s vyššou frekvenciou, podobný zložitejším vzorom vlniek.

Filtrovanie a zaostrovanie:

Kombináciou všetkých týchto novovytvorených laserových lúčov vzniká spektrum rôznych farieb (frekvencií alebo vlnových dĺžok), z ktorých niektoré tvoria atosekundový laser. Na izoláciu špecifických veľkostí a frekvencií vlnenia môžete použiť špecializovaný filter, podobný výberu požadovaných vlnení, a pomocou lupy ich zaostriť na konkrétnu oblasť.

Kompresia impulzov (ak je to potrebné):

Ak sa snažíte šíriť vlnky rýchlejšie a kratšie, môžete ich šírenie urýchliť pomocou špecializovaného zariadenia, čím sa skráti čas trvania každej vlnky. Generovanie atosekundových laserov zahŕňa zložitú súhru procesov. Po rozdelení a vizualizácii sa však stáva zrozumiteľnejším.