Вечером 3 октября 2023 года было торжественно объявлено о присуждении Нобелевской премии по физике за 2023 год, что стало признанием выдающегося вклада трех ученых, сыгравших ключевую роль в качестве пионеров в области аттосекундных лазерных технологий.

Термин «аттосекундный лазер» получил свое название от невероятно короткого временного интервала, в котором он работает, в частности, порядка аттосекунд, что соответствует 10^-18 секундам. Чтобы понять глубокое значение этой технологии, первостепенное значение имеет фундаментальное понимание того, что означает аттосекунда. Аттосекунда представляет собой чрезвычайно мелкую единицу времени, составляющую одну миллиардную долю секунды в более широком контексте одной секунды. Для сравнения: если бы мы сравнили секунду с возвышающейся горой, аттосекунда была бы сродни одной песчинке, расположенной у подножия горы. За этот мимолетный временной интервал даже свет едва может преодолеть расстояние, эквивалентное размеру отдельного атома. Благодаря использованию аттосекундных лазеров ученые получают беспрецедентную возможность изучать и манипулировать сложной динамикой электронов внутри атомных структур, что похоже на покадровое замедленное воспроизведение кинематографической последовательности, тем самым углубляясь в их взаимодействие.

Аттосекундные лазерыпредставляют собой кульминацию обширных исследований и согласованных усилий ученых, которые использовали принципы нелинейной оптики для создания сверхбыстрых лазеров. Их появление предоставило нам инновационную точку зрения для наблюдения и исследования динамических процессов, происходящих внутри атомов, молекул и даже электронов в твердых материалах.

Чтобы выяснить природу аттосекундных лазеров и оценить их нетрадиционные свойства по сравнению с обычными лазерами, необходимо изучить их классификацию в рамках более широкого «семейства лазеров». Классификация по длине волны помещает аттосекундные лазеры преимущественно в диапазон частот от ультрафиолета до мягкого рентгеновского излучения, что означает их значительно более короткие длины волн по сравнению с обычными лазерами. По режимам генерации аттосекундные лазеры относятся к категории импульсных лазеров, характеризующихся чрезвычайно короткой длительностью импульса. Чтобы провести аналогию для ясности, можно представить себе непрерывные лазеры как фонарик, излучающий непрерывный луч света, тогда как импульсные лазеры напоминают стробоскопический свет, быстро чередующийся между периодами освещения и темноты. По сути, аттосекундные лазеры демонстрируют пульсирующее поведение при освещении и темноте, однако их переход между двумя состояниями происходит с поразительной частотой, достигающей аттосекунд.

Дальнейшая классификация по мощности помещает лазеры в группы малой, средней и высокой мощности. Аттосекундные лазеры достигают высокой пиковой мощности благодаря чрезвычайно короткой длительности импульса, что приводит к выраженной пиковой мощности (P), определяемой как интенсивность энергии в единицу времени (P = Вт/т). Хотя отдельные аттосекундные лазерные импульсы не могут обладать исключительно большой энергией (Вт), их сокращенная временная протяженность (t) придает им повышенную пиковую мощность.

Что касается областей применения, лазеры охватывают целый спектр промышленных, медицинских и научных приложений. Аттосекундные лазеры в первую очередь находят свою нишу в сфере научных исследований, особенно в изучении быстро развивающихся явлений в области физики и химии, открывая окно в быстрые динамические процессы микрокосмического мира.

Классификация по лазерной среде разделяет лазеры на газовые, твердотельные, жидкостные и полупроводниковые лазеры. Генерация аттосекундных лазеров обычно зависит от газовых лазерных сред, в которых используются нелинейные оптические эффекты для генерации гармоник высокого порядка.

В целом, аттосекундные лазеры представляют собой уникальный класс короткоимпульсных лазеров, отличающихся чрезвычайно короткой длительностью импульса, обычно измеряемой в аттосекундах. В результате они стали незаменимыми инструментами для наблюдения и управления сверхбыстрыми динамическими процессами электронов внутри атомов, молекул и твердых материалов.

Сложный процесс генерации аттосекундного лазера

Аттосекундная лазерная технология находится на переднем крае научных инноваций, предлагая интригующе строгие условия для ее создания. Чтобы прояснить тонкости генерации аттосекундного лазера, мы начнем с краткого изложения ее основных принципов, за которым последуют яркие метафоры, основанные на повседневном опыте. Читателям, не разбирающимся в тонкостях соответствующей физики, не стоит отчаиваться, поскольку последующие метафоры призваны сделать доступными фундаментальную физику аттосекундных лазеров.

Процесс генерации аттосекундных лазеров в основном основан на методе, известном как генерация высоких гармоник (HHG). Во-первых, луч высокоинтенсивных фемтосекундных (10^-15 секунд) лазерных импульсов плотно фокусируется на газообразном материале мишени. Стоит отметить, что фемтосекундные лазеры, подобно аттосекундным лазерам, имеют общие характеристики: короткую длительность импульса и высокую пиковую мощность. Под воздействием интенсивного лазерного поля электроны внутри атомов газа на мгновение высвобождаются из своих атомных ядер, временно переходя в состояние свободных электронов. Поскольку эти электроны колеблются в ответ на лазерное поле, они в конечном итоге возвращаются и рекомбинируют со своими родительскими атомными ядрами, создавая новые высокоэнергетические состояния.

Во время этого процесса электроны движутся с чрезвычайно высокими скоростями и при рекомбинации с атомными ядрами выделяют дополнительную энергию в виде выбросов высоких гармоник, проявляющихся в виде фотонов высокой энергии.

Частоты этих вновь генерируемых фотонов высокой энергии кратны исходной частоте лазера, образуя так называемые гармоники высокого порядка, где «гармоники» обозначают частоты, которые являются целыми кратными исходной частоты. Чтобы создать аттосекундные лазеры, становится необходимым фильтровать и фокусировать эти гармоники высокого порядка, выбирая определенные гармоники и концентрируя их в фокусной точке. При желании методы сжатия импульсов могут дополнительно сократить длительность импульса, давая сверхкороткие импульсы в аттосекундном диапазоне. Очевидно, что генерация аттосекундных лазеров представляет собой сложный и многогранный процесс, требующий высокого технического мастерства и специального оборудования.

Чтобы прояснить этот сложный процесс, мы предлагаем метафорическую параллель, основанную на повседневных сценариях:

Высокоинтенсивные фемтосекундные лазерные импульсы:

Представьте, что у вас есть исключительно мощная катапульта, способная мгновенно швырять камни с колоссальной скоростью, подобно тому, как это делают мощные фемтосекундные лазерные импульсы.

Газообразный целевой материал:

Представьте себе спокойный водоем, символизирующий газообразный целевой материал, где каждая капля воды представляет собой множество атомов газа. Забрасывание камней в этот водоем аналогично отражает воздействие высокоинтенсивных фемтосекундных лазерных импульсов на газообразный материал мишени.

Движение электронов и рекомбинация (физически определяемый переход):

Когда фемтосекундные лазерные импульсы воздействуют на атомы газа внутри газообразного материала мишени, значительное количество внешних электронов на мгновение возбуждаются до состояния, в котором они отрываются от соответствующих атомных ядер, образуя плазмоподобное состояние. По мере того как энергия системы впоследствии уменьшается (поскольку лазерные импульсы по своей сути являются импульсными с интервалами прекращения), эти внешние электроны возвращаются в окрестности атомных ядер, высвобождая фотоны высокой энергии.

Генерация высоких гармоник:

Представьте себе, что каждый раз, когда капля воды падает обратно на поверхность озера, она создает рябь, очень похожую на высокие гармоники в аттосекундных лазерах. Эти пульсации имеют более высокие частоты и амплитуды, чем исходные пульсации, вызванные первичным фемтосекундным лазерным импульсом. Во время процесса HHG мощный лазерный луч, подобный непрерывному бросанию камней, освещает газовую цель, напоминающую поверхность озера. Это интенсивное лазерное поле отталкивает электроны в газе, подобно ряби, от родительских атомов, а затем тянет их обратно. Каждый раз, когда электрон возвращается в атом, он излучает новый лазерный луч с более высокой частотой, что похоже на более сложные узоры пульсации.

Фильтрация и фокусировка:

Объединение всех этих вновь генерируемых лазерных лучей дает спектр различных цветов (частот или длин волн), некоторые из которых составляют аттосекундный лазер. Чтобы изолировать определенные размеры и частоты пульсаций, вы можете использовать специальный фильтр, аналогичный выбору желаемой пульсации, и использовать увеличительное стекло, чтобы сфокусировать их на определенной области.

Сжатие импульса (при необходимости):

Если вы стремитесь распространять пульсации быстрее и короче, вы можете ускорить их распространение с помощью специального устройства, сокращая время существования каждой пульсации. Генерация аттосекундных лазеров предполагает сложное взаимодействие процессов. Однако, если разобрать и визуализировать, оно становится более понятным.