U značajnoj objavi navečer 3. listopada 2023. otkrivena je Nobelova nagrada za fiziku za 2023. godinu, kojom se odaje priznanje za izvanredan doprinos trojici znanstvenika koji su odigrali ključne uloge kao pioniri u području atosekundne laserske tehnologije.

Naziv "atosekundni laser" potječe iz nevjerojatno kratke vremenske skale na kojoj radi, točnije u redoslijedu atosekundi, što odgovara 10^-18 sekundi. Da bismo shvatili duboki značaj ove tehnologije, najvažnije je temeljno razumijevanje onoga što attosekunda znači. Atosekunda predstavlja izuzetno minucioznu jedinicu vremena, koja čini milijardu milijarditog dijela sekunde u širem kontekstu jedne sekunde. Da ovo stavimo u perspektivu, ako bismo sekundu usporedili s visokom planinom, atosekunda bi bila slična jednom zrnu pijeska ugniježđenom u podnožju planine. U ovom prolaznom vremenskom intervalu čak i svjetlost jedva može prijeći udaljenost koja je jednaka veličini pojedinačnog atoma. Korištenjem atosekundnih lasera, znanstvenici stječu neviđenu sposobnost pomnog proučavanja i manipuliranja zamršenom dinamikom elektrona unutar atomskih struktura, slično usporenoj reprodukciji kadar po kadar u kinematografskoj sekvenci, zadirući tako u njihovu međuigru.

Attosekundni laseripredstavljaju vrhunac opsežnog istraživanja i zajedničkih napora znanstvenika koji su iskoristili principe nelinearne optike za izradu ultrabrzih lasera. Njihova pojava pružila nam je inovativnu povoljnu točku za promatranje i istraživanje dinamičkih procesa koji se odvijaju unutar atoma, molekula, pa čak i elektrona u čvrstim materijalima.

Kako bismo razjasnili prirodu atosekundnih lasera i cijenili njihove nekonvencionalne atribute u usporedbi s konvencionalnim laserima, nužno je istražiti njihovu kategorizaciju unutar šire "obitelji lasera". Klasifikacija prema valnoj duljini smješta atosekundne lasere uglavnom unutar raspona frekvencija ultraljubičastih do mekih rendgenskih zraka, što ukazuje na njihove znatno kraće valne duljine u usporedbi s konvencionalnim laserima. Što se tiče izlaznih načina rada, atosekundni laseri spadaju u kategoriju pulsirajućih lasera, koje karakterizira izuzetno kratko trajanje impulsa. Da povučemo analogiju radi jasnoće, možemo zamisliti lasere s kontinuiranim valovima kao slične baterijskoj svjetiljci koja emitira kontinuirani snop svjetlosti, dok pulsirajući laseri nalikuju stroboskopskom svjetlu, brzo se izmjenjujući između razdoblja osvjetljenja i tame. U biti, atosekundni laseri pokazuju pulsirajuće ponašanje unutar osvjetljenja i tame, ali njihov prijelaz između ta dva stanja odvija se nevjerojatnom frekvencijom, dosežući područje atosekundi.

Daljnja kategorizacija prema snazi ​​svrstava lasere u skupine male snage, srednje snage i velike snage. Attosekundni laseri postižu visoku vršnu snagu zbog iznimno kratkog trajanja impulsa, što rezultira izraženom vršnom snagom (P) – definiranom kao intenzitet energije po jedinici vremena (P=W/t). Iako pojedinačni atosekundni laserski impulsi možda nemaju iznimno veliku energiju (W), njihov skraćeni vremenski opseg (t) daje im povećanu vršnu snagu.

Što se tiče područja primjene, laseri obuhvaćaju širok spektar industrijskih, medicinskih i znanstvenih primjena. Attosekundni laseri primarno pronalaze svoju nišu unutar područja znanstvenog istraživanja, posebice u istraživanju fenomena koji se brzo razvijaju u domenama fizike i kemije, nudeći prozor u brze dinamičke procese mikrokozmičkog svijeta.

Kategorizacija prema laserskom mediju razgraničava lasere na plinske lasere, lasere u čvrstom stanju, tekuće lasere i poluvodičke lasere. Generiranje atosekundnih lasera obično ovisi o plinskim laserskim medijima, kapitalizirajući nelinearne optičke efekte za stvaranje harmonika visokog reda.

Ukratko, atosekundni laseri čine jedinstvenu klasu lasera s kratkim impulsima, koji se razlikuju po izuzetno kratkom trajanju impulsa, obično mjerenom u atosekundama. Kao rezultat toga, postali su nezamjenjivi alati za promatranje i kontrolu ultrabrzih dinamičkih procesa elektrona unutar atoma, molekula i čvrstih materijala.

Razrađeni proces attosekundnog laserskog generiranja

Attosecond laserska tehnologija prednjači u znanstvenim inovacijama, hvaleći se intrigantno rigoroznim skupom uvjeta za svoju generaciju. Kako bismo razjasnili zamršenost generiranja atosekundnog lasera, započinjemo sa sažetim izlaganjem temeljnih principa, nakon čega slijede živopisne metafore izvedene iz svakodnevnih iskustava. Čitatelji neupućeni u zamršenosti relevantne fizike ne trebaju očajavati, budući da metafore koje slijede imaju za cilj učiniti temeljnu fiziku atosekundnih lasera dostupnom.

Proces generiranja atosekundnih lasera prvenstveno se oslanja na tehniku ​​poznatu kao Generacija visokog harmonika (HHG). Prvo, snop femtosekundnih (10^-15 sekundi) laserskih impulsa visokog intenziteta je usko fokusiran na plinoviti ciljni materijal. Vrijedno je napomenuti da femtosekundni laseri, slični atosekundnim laserima, dijele karakteristike kratkog trajanja impulsa i velike vršne snage. Pod utjecajem intenzivnog laserskog polja, elektroni unutar atoma plina trenutno se oslobađaju iz svojih atomskih jezgri, prolazno ulazeći u stanje slobodnih elektrona. Kako ti elektroni osciliraju kao odgovor na lasersko polje, oni se na kraju vraćaju i rekombiniraju s matičnim atomskim jezgrama, stvarajući nova visokoenergetska stanja.

Tijekom tog procesa elektroni se kreću ekstremno velikim brzinama, a nakon rekombinacije s atomskim jezgrama oslobađaju dodatnu energiju u obliku visokih harmonijskih emisija, koje se manifestiraju kao fotoni visoke energije.

Frekvencije ovih novogeneriranih visokoenergetskih fotona cijeli su umnošci izvorne frekvencije lasera, tvoreći ono što se naziva harmonicima visokog reda, gdje "harmonici" označavaju frekvencije koje su integralni umnošci izvorne frekvencije. Da bi se postigli atosekundni laseri, postaje neophodno filtrirati i fokusirati te harmonike visokog reda, odabirom specifičnih harmonika i njihovim koncentriranjem u žarišnu točku. Po želji, tehnike kompresije pulsa mogu dodatno skratiti trajanje pulsa, dajući ultrakratke impulse u rasponu atosekundi. Očito, stvaranje atosekundnih lasera predstavlja sofisticiran i višestruk proces, koji zahtijeva visok stupanj tehničkog umijeća i specijalizirane opreme.

Kako bismo demistificirali ovaj zamršeni proces, nudimo metaforičku paralelu utemeljenu na svakodnevnim scenarijima:

Femtosekundni laserski impulsi visokog intenziteta:

Zamislite posjedovanje izuzetno snažnog katapulta koji je sposoban trenutačno bacati kamenje kolosalnim brzinama, slično ulozi koju imaju femtosekundni laserski impulsi visokog intenziteta.

Materijal plinovite mete:

Zamislite mirno tijelo vode koje simbolizira plinoviti ciljni materijal, gdje svaka kapljica vode predstavlja bezbroj atoma plina. Čin guranja kamenja u ovu vodenu masu analogno odražava utjecaj femtosekundnih laserskih impulsa visokog intenziteta na plinoviti ciljni materijal.

Gibanje i rekombinacija elektrona (fizički nazvan prijelaz):

Kada femtosekundni laserski impulsi utječu na atome plina unutar plinovitog ciljnog materijala, značajan broj vanjskih elektrona trenutno se pobuđuje u stanje u kojem se odvajaju od svojih atomskih jezgri, tvoreći stanje slično plazmi. Kako se energija sustava naknadno smanjuje (budući da su laserski impulsi sami po sebi pulsirajući, s intervalima prestanka), ti se vanjski elektroni vraćaju u svoju blizinu atomskih jezgri, oslobađajući fotone visoke energije.

Generacija visokog harmonika:

Zamislite da svaki put kad kapljica vode padne natrag na površinu jezera, stvara valove, poput visokih harmonika u atosekundnim laserima. Ti valovi imaju veće frekvencije i amplitude od izvornih valova uzrokovanih primarnim femtosekundnim laserskim pulsom. Tijekom HHG procesa, snažna laserska zraka, slična neprekidnom bacanju kamenja, osvjetljava plinsku metu koja podsjeća na površinu jezera. Ovo intenzivno lasersko polje tjera elektrone u plinu, analogno valovima, dalje od njihovih matičnih atoma i zatim ih povlači natrag. Svaki put kad se elektron vrati u atom, on emitira novu lasersku zraku s višom frekvencijom, slično zamršenijim uzorcima mreškanja.

Filtriranje i fokusiranje:

Kombiniranjem svih ovih novogeneriranih laserskih zraka dobiva se spektar različitih boja (frekvencija ili valnih duljina), od kojih neke čine atosekundni laser. Da biste izolirali određene veličine i frekvencije valova, možete upotrijebiti specijalizirani filtar, sličan odabiru željenih valova, i upotrijebiti povećalo da ih fokusirate na određeno područje.

Kompresija pulsa (ako je potrebno):

Ako želite širiti valove brže i kraće, možete ubrzati njihovo širenje pomoću specijaliziranog uređaja, smanjujući vrijeme trajanja svakog valovanja. Generiranje atosekundnih lasera uključuje složeno međudjelovanje procesa. Međutim, kada se raščlani i vizualizira, postaje razumljiviji.