В знаменитом объявлении вечером 3 октября 2023 года была обнародована Нобелевская премия по физике за 2023 год, признавая выдающийся вклад трех ученых, которые сыграли ключевые роли в качестве пионеров в сфере аттосекундной лазерной технологии.

Термин «аттосекундный лазер» получает свое название из невероятно короткого временного масштаба, на котором он работает, в частности, в порядке аттосекунд, соответствующих 10^-18 секунд. Чтобы понять глубокое значение этой технологии, фундаментальное понимание того, что означает аттосекунда, имеет первостепенное значение. Аттосекунда выходит в качестве чрезвычайно минутной подразделения времени, составляя один миллиард миллиардов секунды в более широком контексте одной секунды. Чтобы представить это в перспективе, если бы мы сравнивали секунду с возвышающейся горой, аттосекунда была бы сродни одному песчаному зернам, укрытым на основе горы. В этом мимолетном временном интервале даже свет едва может пройти расстояние, эквивалентное размеру индивидуального атома. Благодаря использованию атттосекундных лазеров ученые получают беспрецедентную способность тщательно изучать и манипулировать сложной динамикой электронов в атомных структурах, сродни к повторному воспроизведению медленного движения в кинематографической последовательности, что углубляется в их взаимодействие.

Аттосекундные лазерыПредставляют кульминацию обширных исследований и согласованных усилий ученых, которые использовали принципы нелинейной оптики для создания сверхбыстрых лазеров. Их пришествие предоставило нам инновационную точку зрения для наблюдения и исследования динамических процессов, происходящих в атомах, молекулах и даже электронах в твердых материалах.

Чтобы выяснить природу аттосекундных лазеров и оценить их нетрадиционные атрибуты по сравнению с обычными лазерами, необходимо изучить их категоризацию в более широкой «семействе лазерных». Классификация по длине волны помещает атттосекундные лазеры преимущественно в диапазоне ультрафиолетовых до мягких рентгеновских частот, что означает их особенно более короткие длины волн в отличие от обычных лазеров. Что касается режимов выхода, аттосекундные лазеры подпадают под категорию импульсных лазеров, характеризующихся их чрезвычайно краткой продолжительностью пульса. Чтобы провести аналогию для ясности, можно предположить, что лазеры с непрерывными волнами похожи на фонарик, излучающий непрерывный луч света, в то время как импульсные лазеры напоминают стробоп-свет, быстро чередуюсь между периодами освещения и темнотой. По сути, аттосекундные лазеры демонстрируют пульсирующее поведение в освещении и тьме, однако их переход между двумя государствами происходит на удивительной частоте, достигая сферы аттосекунды.

Дальнейшая категоризация путем питания помещает лазеры в кронштейны с низкой мощностью, средней мощностью и мощностью. Аттосекундные лазеры достигают высокой пиковой мощности из -за чрезвычайно коротких импульсов, что приводит к выраженной пиковой мощности (P), определяемой как интенсивность энергии на единицу времени (P = W/T). Хотя индивидуальные аттосекундные лазерные импульсы могут не обладать исключительно большой энергией (W), их сокращенная временная протяженность (T) придает им повышенную пиковую мощность.

С точки зрения доменов применения, лазеры охватывают спектр, охватывающий промышленные, медицинские и научные приложения. Аттосекундные лазеры в первую очередь находят свою нишу в сфере научных исследований, особенно при исследовании быстро развивающихся явлений в области физики и химии, предлагая окно в быстрые динамические процессы микрокосмического мира.

Категоризация лазерной средой определяет лазеры в виде газовых лазеров, твердотельных лазеров, жидких лазеров и полупроводниковых лазеров. Генерация атттосекундных лазеров обычно зависит от газовых лазерных среда, используя нелинейные оптические эффекты, чтобы вызвать гармоники высокого порядка.

В итоге аттосекундные лазеры представляют собой уникальный класс лазеров коротких импульсов, отличающийся их чрезвычайно краткой продолжительностью импульсов, обычно измеряемых в аттосекундах. В результате они стали незаменимыми инструментами для наблюдения и управления сверхбыстрыми динамическими процессами электронов в атомах, молекулах и твердых материалах.

Сложный процесс генерации аттосекундной лазерной

Attosecond Laser Technology стоит на переднем крае научных инноваций, может похвастаться интригующе строгим набором условий для своего поколения. Чтобы выяснить тонкости атттосекундной лазерной генерации, мы начинаем с краткого изложения его основных принципов, за которыми следуют яркие метафоры, полученные из повседневного опыта. Читатели, не являющиеся неверными в тонкостях соответствующей физики, не должны отчаянно, поскольку последующие метафоры стремятся сделать основополагающая физика атттосекундных лазеров доступными.

Процесс генерации аттосекундных лазеров в первую очередь опирается на технику, известную как высокая гармоническая генерация (HHG). Во-первых, луч лазерных импульсов высокоинтенсивных фемтосекундных (10^-15 секунд) тесно сфокусирован на газообразном целевом материале. Стоит отметить, что фемтосекундные лазеры, сродни аттосекундным лазерам, имеют характеристики обладания коротким продолжительностью импульсов и высокой пиковой мощностью. Под влиянием интенсивного лазерного поля электроны в атомах газа на мгновение освобождаются от их атомных ядер, временно вступая 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 перемещаются с чрезвычайно высокими скоростями, и после рекомбинации с атомными ядрами они выделяют дополнительную энергию в форме высоких гармонических выбросов, проявляясь как фотоны с высокой энергией.

Частоты этих вновь сгенерированных высокоэнергетических фотонов являются целочисленными мультипликациями исходной лазерной частоты, образуя то, что называется гармониками высокого порядка, где «гармоники» обозначают частоты, которые являются неотъемлемой частью исходной частоты. Чтобы достичь аттосекундных лазеров, становится необходимым фильтровать и сосредоточить эти гармоники высокого порядка, выбирать конкретные гармоники и концентрировать их в фокус. При желании методы сжатия импульса могут дополнительно сокращать продолжительность импульса, приводя к сверхпрочным импульсам в диапазоне аттосекунды. Очевидно, что генерация атттосекундных лазеров представляет собой сложный и многогранный процесс, требующий высокой степени технического мастерства и специализированного оборудования.

Чтобы демистифицировать этот сложный процесс, мы предлагаем метафорическую параллельную основу, основанную на повседневных сценариях:

Высокоинтенсивные фемтосекундные лазерные импульсы:

Предвидение, обладающее исключительно мощным катапультом, способным мгновенно швырнуть камни на колоссальные скорости, сродни роли, которую играют высокоинтенсивные фемтосекундные лазерные импульсы.

Газовый целевой материал:

Представьте себе спокойный корпус воды, который символизирует газообразный целевой материал, где каждая капля воды представляет множество атомов газа. Акт движения камней в это тело воды аналогично отражает влияние высокоинтенсивных фемтосекундных лазерных импульсов на газообразной целевой материал.

Электронное движение и рекомбинация (физически называемый переход):

Когда фемтосекундные лазерные импульсы влияют на атомы газа в газообразных целевых материалах, значительное количество внешних электронов на мгновение возбуждается состоянию, где они отделяются от своих соответствующих атомных ядер, образуя плазменное состояние. Поскольку энергия системы впоследствии уменьшается (поскольку лазерные импульсы по своей природе импульсны, показывая интервалы прекращения), эти внешние электроны возвращаются в их окрестности атомных ядер, высвобождая высокоэнергетические фотоны.

Высокая гармоническая генерация:

Представьте, что каждый раз, когда капля воды возвращается на поверхность озера, он создает рябь, как и высокие гармоники в аттосекундных лазерах. Эти ряби имеют более высокие частоты и амплитуды, чем исходные рябь, вызванные первичным фемтосекундным лазерным импульсом. Во время процесса HHG мощный лазерный луч, сродни постоянно бросающим камни, освещает газовую цель, напоминающую поверхность озера. Это интенсивное лазерное поле продвигает электроны в газ, аналогично рябным, от атомов их родителей, а затем тянет их обратно. Каждый раз, когда электрон возвращается к атом, он издает новый лазерный луч с более высокой частотой, сродни более сложным шаблонам пульсации.

Фильтрация и фокусировка:

Сочетание всех этих недавно сгенерированных лазерных балок дает спектр различных цветов (частоты или длины волн), некоторые из которых составляют аттосекундный лазер. Чтобы изолировать определенные размеры и частоты волн, вы можете использовать специализированный фильтр, сродни выбору желаемой волны, и использовать увеличительное стекло, чтобы сосредоточить их на определенной области.

Сжатие пульса (при необходимости):

Если вы стремитесь распространять рябь быстрее и короче, вы можете ускорить их распространение, используя специализированное устройство, сокращая время, которое длится каждая волна. Генерация аттосекундных лазеров включает в себя сложное взаимодействие процессов. Однако при разбиваемом и визуализированном виде это становится более понятным.