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

Термин «аттосекундный лазер» получил своё название от невероятно короткого временного интервала, в котором он работает, а именно порядка аттосекунд, что соответствует 10^-18 секундам. Чтобы понять глубинное значение этой технологии, необходимо фундаментальное понимание значения аттосекунды. Аттосекунда – это чрезвычайно короткая единица времени, составляющая одну миллиардную миллиардной доли секунды в более широком контексте одной секунды. Для наглядности, если сравнить секунду с высокой горой, аттосекунда будет подобна песчинке, угнездившейся у её подножия. За этот мимолётный временной интервал даже свет едва ли 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 лазерыОни представляют собой кульминацию обширных исследований и совместных усилий учёных, которые использовали принципы нелинейной оптики для создания сверхбыстрых лазеров. Их появление предоставило нам инновационную точку наблюдения и исследования динамических процессов, происходящих внутри атомов, молекул и даже электронов в твёрдых материалах.

Чтобы прояснить природу аттосекундных лазеров и оценить их нестандартные характеристики по сравнению с традиционными 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 указывает на их заметно более короткие длины волн по сравнению с традиционными лазерами. С точки зрения режимов излучения аттосекундные лазеры относятся к категории импульсных лазеров, характеризующихся чрезвычайно короткой длительностью импульса. Для наглядности можно провести аналогию, например, представить лазеры непрерывного излучения 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 диапазоне освещенности и темноты, однако их переход между двумя состояниями происходит с поразительной частотой, достигающей аттосекунд.

Дальнейшая классификация по мощности подразделяет лазеры на маломощные, средние 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 сокращённая временная продолжительность (t) обеспечивает им повышенную пиковую мощность.

С точки зрения областей применения, лазеры охватывают широкий спектр промышленных, медицинских и научных приложений. Аттосекундные лазеры находят своё применение в первую очередь в сфере научных исследований, в частности, в изучении быстро развивающихся явлений в области физики и химии, открывая окно в динамичные процессы микромира.

Классификация по среде лазера подразделяет лазеры на газовые, твердотельные, жидкостные и полупроводниковые. Генерация аттосекундных лазеров обычно основана на газовых средах, где нелинейные оптические эффекты используются для генерации гармоник высокого порядка.

Подводя итог, можно сказать, что аттосекундные лазеры представляют собой уникальный класс короткоимпульсных лазеров, отличающихся чрезвычайно короткой длительностью импульса, обычно измеряемой аттосекундами. Благодаря этому они стали незаменимыми инструментами для наблюдения и управления сверхбыстрыми динамическими процессами электронов в атомах, молекулах и твёрдых материалах.

Сложный процесс генерации аттосекундного лазера

Технология аттосекундных лазеров находится на переднем крае научных инноваций, обладая интригующе строгим набором условий для её создания. Чтобы прояснить тонкости генерации аттосекундных лазеров, мы начнём с краткого изложения её основополагающих принципов, а затем приведём яркие метафоры, взятые из повседневного опыта. Читателям, не разбирающимся в тонкостях соответствующих физических законов, не стоит отчаиваться: последующие метафоры призваны сделать основополагающие физические принципы аттосекундных лазеров доступными.

Процесс генерации аттосекундных лазеров основан на технологии, известной как генерация высоких гармоник (ГВГ). Во-первых, пучок фемтосекундных лазерных импульсов высокой интенсивности (10^-15 секунд) фокусируется на газообразной мишени. 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 в атомах газа на мгновение освобождаются от своих атомных ядер, переходя в состояние свободных электронов. Совершая колебания под действием лазерного поля, эти электроны в конечном итоге возвращаются к своим исходным атомным ядрам и рекомбинируют с ними, создавая новые высокоэнергетические состояния.

Во время этого процесса электроны движутся с чрезвычайно высокими скоростями и при рекомбинации с атомными ядрами высвобождают дополнительную энергию в виде высокогармонических излучений, проявляющихся как высокоэнергетические фотоны.

Частоты этих вновь генерируемых высокоэнергетических фотонов являются целыми кратными исходной частоты лазера, образуя так называемые гармоники высшего порядка, где «гармоники» обозначают частоты, целые кратные исходной частоте. Для получения аттосекундных лазеров необходимо фильтровать и фокусировать эти гармоники высшего порядка, выбирая определённые гармоники и концентрируя их в фокусной точке. При необходимости методы сжатия импульсов позволяют ещё больше сократить длительность импульса, получая сверхкороткие импульсы аттосекундного диапазона. Очевидно, что генерация аттосекундных лазеров представляет собой сложный и многогранный процесс, требующий высокого 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 обладание исключительно мощной катапультой, способной мгновенно метать камни с колоссальной скоростью, подобно тому, как это делают высокоинтенсивные фемтосекундные лазерные импульсы.

Газообразный материал мишени:

Представьте себе спокойный водоём, символизирующий газообразный материал мишени, где каждая капля воды представляет собой мириады атомов газа. Процесс бросания камней в этот водоём аналогично отражает воздействие высокоинтенсивных фемтосекундных лазерных импульсов на газообразный материал мишени.

Движение электронов и рекомбинация (физически называемый переходом):

При воздействии фемтосекундных лазерных импульсов на атомы газа внутри газообразной 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 импульсные, с интервалами прекращения), эти внешние электроны возвращаются в свою окрестность к атомным ядрам, испуская высокоэнергетические фотоны.

Генерация высоких гармоник:

Представьте себе, что каждый раз, когда капля воды падает на поверхность озера, она создаёт рябь, очень похожую на высокие гармоники в аттосекундных лазерах. Эта рябь имеет более высокую частоту и амплитуду, чем исходная рябь, вызванная первичным фемтосекундным лазерным импульсом. В процессе ГГГ мощный лазерный луч, подобно непрерывно бросаемым камням, освещает газовую мишень, напоминающую поверхность озера. Это интенсивное лазерное поле отталкивает электроны в газе, подобно 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 создаёт спектр различных цветов (частот или длин волн), некоторые из которых составляют аттосекундный лазер. Чтобы выделить пульсации определённого размера и частоты, можно использовать специальный фильтр, подобно фильтру для отбора нужных пульсаций, и сфокусировать их на определённой области с помощью увеличительного стекла.

Компрессия импульса (при необходимости):

Если вы хотите, чтобы волны распространялись быстрее и короче, вы можете ускорить их распространение с помощью специального устройства, сократив время существования каждой волны. Генерация аттосекундных лазеров представляет собой сложное взаимодействие процессов. Однако, если разбить процесс на части и визуализировать его, он становится более понятным.