Вечером 3 октября 2023 года было сделано знаменательное заявление о присуждении Нобелевской премии по физике за 2023 год, которая станет 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 масштаба, в котором он работает, а именно порядка аттосекунд, что соответствует 10^-18 секундам. Чтобы понять глубокую значимость этой технологии, фундаментальное понимание того, что означает аттосекунда, имеет первостепенное значение. Аттосекунда представляет собой чрезвычайно малую единицу времени, составляющую одну миллиардную миллиардной доли секунды в более широком контексте одной секунды. Чтобы представить это в перспективе, если бы мы сравнили секунду с возвышающейся горой, аттосекунда была бы сродни одной песчинке, угнездившейся у подножия горы. В этом мимолетном временном интервале даже свет едва может преодолеть расстояние, эквивалентное размеру отдельного атома. Благодаря использованию аттосекундных лазеров ученые получают беспрецедентную возможность тщательно исследовать и манипулировать сложной динамикой электронов в атомных структурах, подобно покадровому замедленному воспроизведению в 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 обзора 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 категоризацию в более широком «семействе лазеров». Классификация по длине волны помещает аттосекундные лазеры преимущественно в диапазон частот от ультрафиолета до мягкого рентгеновского излучения, что означает их заметно более короткие длины волн по сравнению с обычными лазерами. С точки зрения выходных режимов аттосекундные лазеры попадают в категорию импульсных лазеров, характеризующихся чрезвычайно короткой длительностью импульса. Чтобы провести аналогию для ясности, можно представить себе лазеры с непрерывной волной как нечто похожее на фонарик, излучающий непрерывный луч света, в то время как импульсные лазеры напоминают стробоскопический свет, быстро чередующийся между периодами освещения и темноты. По сути, аттосекундные лазеры демонстрируют пульсирующее поведение в пределах освещения и темноты, однако их переход между двумя состояниями происходит с поразительной частотой, достигающей области аттосекунд.

Дальнейшая классификация по мощности делит лазеры на маломощные, среднемощные и высокомощные. 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=W/t). Хотя отдельные аттосекундные лазерные импульсы могут не обладать исключительно большой энергией (W), их сокращенная временная протяженность (t) придает им повышенную пиковую мощность.

С точки зрения областей применения лазеры охватывают спектр, включающий промышленные, медицинские и научные приложения. Аттосекундные лазеры в первую очередь находят свою нишу в сфере научных исследований, в частности, в изучении быстро развивающихся явлений в областях физики и химии, предлагая окно в быстрые динамические процессы микрокосмического мира.

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

Подводя итог, можно сказать, что аттосекундные лазеры представляют собой уникальный класс короткоимпульсных лазеров, отличающихся необычайно 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

Технология аттосекундного лазера находится на переднем крае научных инноваций, хвастаясь интригующе строгим набором условий для ее генерации. Чтобы прояснить тонкости генерации аттосекундного лазера, мы начнем с краткого изложения ее основных принципов, за которыми последуют яркие метафоры, полученные из повседневного опыта. Читатели, не разбирающиеся в тонкостях соответствующей физики, не должны отчаиваться, поскольку последующие метафоры направлены на то, чтобы сделать фундаментальную физику аттосекундных лазеров доступной.

Процесс генерации аттосекундных лазеров в первую очередь основан на технике, известной как генерация высоких гармоник (HHG). Во-первых, пучок фемтосекундных лазерных импульсов высокой интенсивности (10^-15 секунд) плотно фокусируется на газообразном целевом материале. Стоит отметить, что фемтосекундные лазеры, подобно аттосекундным лазерам, обладают такими характеристиками, как короткая длительность импульса и высокая пиковая мощность. Под воздействием интенсивного лазерного поля электроны внутри атомов газа на мгновение освобождаются от 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.

В ходе этого процесса электроны движутся с чрезвычайно высокой скоростью и при рекомбинации с атомными ядрами высвобождают дополнительную энергию в виде высокогармонических излучений, проявляющихся как высокоэнергетические фотоны.

Частоты этих вновь сгенерированных высокоэнергетических фотонов являются целыми кратными исходной частоты лазера, образуя то, что называется гармониками высокого порядка, где «гармоники» обозначают частоты, которые являются целыми кратными исходной частоты. Для получения аттосекундных лазеров 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 высокой степени технического мастерства и специализированного оборудования.

Чтобы развеять мифы об этом сложном процессе, 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 материал мишени:

Представьте себе спокойную массу воды, которая символизирует газообразный целевой материал, где каждая капля воды представляет собой мириады атомов газа. Акт метания камней в этот водный объект аналогично отражает воздействие высокоинтенсивных фемтосекундных лазерных импульсов на газообразный целевой материал.

Движение электронов и рекомбинация (физически называемая переходом):

Когда фемтосекундные лазерные импульсы воздействуют на атомы газа внутри газообразного целевого материала, значительное количество внешних электронов на мгновение возбуждается до состояния, в котором они отрываются от своих соответствующих атомных ядер, образуя состояние, подобное плазме. Поскольку энергия системы впоследствии уменьшается (поскольку лазерные импульсы по своей природе импульсные, с интервалами прекращения), эти внешние электроны возвращаются в свою окрестность атомных ядер, высвобождая высокоэнергетические фотоны.

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. Эта рябь имеет более высокие частоты и амплитуды, чем исходная рябь, вызванная первичным фемтосекундным лазерным импульсом. Во время процесса HHG мощный лазерный луч, похожий на непрерывно бросаемые камни, освещает газовую мишень, напоминающую поверхность озера. Это интенсивное лазерное поле выталкивает электроны в газе, аналогично ряби, от их родительских атомов, а затем притягивает их обратно. Каждый раз, когда электрон возвращается к атому, он испускает новый лазерный луч с более высокой частотой, похожий на более сложные узоры ряби.

Фильтрация и фокусировка:

Объединение всех этих новых лазерных лучей дает спектр различных цветов (частот или длин волн), некоторые из которых составляют аттосекундный лазер. Чтобы выделить определенные размеры и частоты ряби, вы можете использовать специализированный фильтр, похожий на выбор желаемой ряби, и использовать увеличительное стекло, чтобы сфокусировать их на определенной области.

Компрессия импульса (при необходимости):

Если вы хотите, чтобы рябь распространялась быстрее и короче, вы можете ускорить ее распространение с помощью специального устройства, сократив время существования каждой ряби. Генерация аттосекундных лазеров включает в себя сложное взаимодействие процессов. Однако, если ее разбить и визуализировать, она становится более понятной.