Вечером 3 октября 2023 года состоялось знаменательное объявление о присуждении Нобелевской премии по физике за 2023 год, которая отметила выдающийся вклад трех ученых, сыгравших ключевую роль в качестве пионеров в области аттосекундных лазерных технологий.

Термин «аттосекундный лазер» получил свое название из-за невероятно короткого временного масштаба, в котором он работает, а именно, порядка аттосекунд, что соответствует 10⁻¹⁸ секундам. Чтобы понять всю глубину значения этой технологии, крайне важно осознать, что означает аттосекунда. Аттосекунда — это чрезвычайно малая единица времени, составляющая одну миллиардную миллиардной доли секунды в более широком контексте одной секунды. Для сравнения, если бы мы сравнили секунду с высокой горой, то аттосекунда была бы подобна одной песчинке у подножия горы. За этот мимолетный промежуток времени 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, подобно покадровому замедленному воспроизведению в кинематографическом эпизоде, тем самым углубляясь в их взаимодействие.

Аттосекундные лазерыОни представляют 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 изучения динамических процессов, происходящих внутри атомов, молекул и даже электронов в твердых материалах.

Для того чтобы прояснить природу аттосекундных лазеров и оценить их нетрадиционные характеристики по сравнению с обычными лазерами, необходимо изучить их классификацию в рамках более широкого «семейства лазеров». Классификация по длине волны относит аттосекундные лазеры преимущественно к диапазону частот от ультрафиолетового до мягкого рентгеновского излучения, что указывает на их значительно меньшие длины волн по сравнению с обычными лазерами. С точки зрения режимов излучения, аттосекундные лазеры относятся к категории импульсных лазеров, характеризующихся чрезвычайно короткой длительностью импульсов. Для наглядности можно представить себе лазеры непрерывного действия как фонарик, излучающий непрерывный луч света, в то время как импульсные лазеры напоминают стробоскоп, быстро чередующий периоды освещения и темноты. По сути, аттосекундные лазеры демонстрируют пульсирующее поведение в условиях освещения и темноты, однако их переход между этими двумя состояниями происходит с поразительной частотой, достигающей аттосекунд.

Дальнейшая классификация по мощности разделяет лазеры на маломощные, среднемощные и высокомощные. Аттосекундные лазеры достигают высокой пиковой мощности благодаря чрезвычайно короткой длительности импульсов, что приводит к выраженной пиковой мощности (P) – определяемой как интенсивность энергии в единицу времени (P = Вт/t). Хотя отдельные аттосекундные лазерные импульсы могут не обладать исключительно большой энергией (Вт), их короткая временная длительность (t) обуславливает повышенную пиковую мощность.

Что касается областей применения, лазеры охватывают широкий спектр, включая промышленное, медицинское и научное использование. Аттосекундные лазеры в основном находят свою нишу в области научных исследований, особенно в изучении быстро развивающихся явлений в области физики и химии, открывая окно в стремительные динамические процессы микроскопического мира.

Классификация по лазерной среде позволяет разделить лазеры на газовые, твердотельные, жидкостные и полупроводниковые. Генерация аттосекундных лазеров обычно основана на использовании газовых лазерных сред и нелинейных оптических эффектов для генерации гармоник высокого порядка.

В заключение, аттосекундные лазеры представляют собой уникальный класс короткоимпульсных лазеров, отличающихся чрезвычайно малой длительностью импульсов, обычно измеряемой в аттосекундах. В результате они стали незаменимыми инструментами для наблюдения и контроля сверхбыстрых динамических процессов электронов внутри атомов, молекул и твердых материалов.

Сложный процесс генерации аттосекундного лазера

Технология аттосекундных лазеров находится на переднем крае научных инноваций, обладая удивительно строгими условиями для своего получения. Чтобы прояснить тонкости генерации аттосекундных лазеров, мы начнем с краткого изложения ее основных принципов, за которым последуют яркие метафоры, заимствованные из повседневной жизни. Читателям, не знакомым со сложностями соответствующей физики, не стоит отчаиваться, поскольку последующие метафоры призваны сделать фундаментальные физические принципы работы аттосекундных лазеров доступными для понимания.

Процесс генерации аттосекундных лазеров в основном основан на методе, известном как генерация высоких гармоник (ГВГ). Сначала пучок высокоинтенсивных фемтосекундных (10⁻¹⁵ секунд) лазерных импульсов фокусируется на газообразном материале-мишени. Стоит отметить, что фемтосекундные лазеры, подобно аттосекундным, обладают короткими импульсами и высокой пиковой мощностью. Под воздействием интенсивного лазерного поля электроны в атомах газа на мгновение высвобождаются из своих атомных ядер, временно переходя в состояние свободных электронов. По мере того, как эти электроны колеблются в ответ на лазерное поле, они в конечном итоге возвращаются в свои атомные ядра и рекомбинируют с ними, создавая новые высокоэнергетические состояния.

В ходе этого процесса электроны движутся с чрезвычайно высокими скоростями, и при рекомбинации с атомными ядрами они высвобождают дополнительную энергию в виде высокогармонических излучений, проявляющихся в виде высокоэнергетических фотонов.

Частоты этих вновь генерируемых высокоэнергетических фотонов являются целыми кратными исходной частоте лазера, образуя так называемые гармоники высокого порядка, где «гармоники» обозначают частоты, являющиеся целыми кратными исходной частоте. Для получения аттосекундных лазеров необходимо 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, обеспечивая получение сверхкоротких импульсов в аттосекундном диапазоне. Очевидно, что генерация аттосекундных лазеров представляет собой сложный и многогранный процесс, требующий высокого уровня технического мастерства и специализированного оборудования.

Чтобы упростить понимание этого сложного процесса, мы предлагаем метафорическую параллель, основанную на повседневных ситуациях:

Высокоинтенсивные фемтосекундные лазерные импульсы:

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

Газообразный целевой материал:

Представьте себе спокойный водоём, символизирующий газообразный материал-мишень, где каждая капля воды представляет собой множество атомов газа. Действие по метанию камней в этот водоём аналогично имитирует воздействие высокоинтенсивных фемтосекундных лазерных импульсов на газообразный материал-мишень.

Движение электронов и рекомбинация (физически называемая переходом):

Когда фемтосекундные лазерные импульсы воздействуют на атомы газа в газообразном материале мишени, значительное количество внешних электронов на мгновение возбуждается до состояния, в котором они отрываются от своих атомных ядер, образуя плазмоподобное состояние. По мере последующего уменьшения энергии системы (поскольку лазерные импульсы по своей природе являются импульсными, с интервалами прекращения), эти внешние электроны возвращаются в окрестности атомных ядер, высвобождая высокоэнергетические фотоны.

Генерация высоких гармоник:

Представьте, что каждый раз, когда капля воды падает обратно на поверхность озера, она создает рябь, подобную высоким гармоникам в аттосекундных лазерах. Эта рябь имеет более высокие частоты и амплитуды, чем исходная рябь, вызванная первичным фемтосекундным лазерным импульсом. В процессе генерации высоких гармоник мощный лазерный луч, подобно непрерывному бросанию камней, освещает газовую мишень, напоминающую поверхность озера. Это интенсивное лазерное поле выталкивает электроны в газе, подобно ряби, от их атомов-источников, а затем притягивает их обратно. Каждый раз, когда электрон возвращается к атому, он испускает новый лазерный луч с более высокой частотой, подобно более сложным узорам ряби.

Фильтрация и фокусировка:

Сочетание всех этих вновь сгенерированных лазерных лучей дает спектр различных цветов (частот или длин волн), некоторые из которых составляют аттосекундный лазер. Для выделения пульсаций определенных размеров и частот можно использовать специальный фильтр, аналогичный выбору желаемых пульсаций, и с помощью увеличительного стекла сфокусировать их на определенной области.

Сжатие импульсов (при необходимости):

Если вы стремитесь к более быстрому и короткому распространению волн, вы можете ускорить их распространение с помощью специализированного устройства, сократив время существования каждой волны. Генерация аттосекундных лазеров включает в себя сложное взаимодействие процессов. Однако, если разложить и визуализировать этот процесс, он становится более понятным.