U značajnoj objavi navečer 3. listopada 2023. predstavljena je Nobelova nagrada za fiziku za 2023. godinu, priznajući izvanredan doprinos trojice znanstvenika koji su odigrali ključnu ulogu kao pioniri u području atosekundne laserske tehnologije.

Izraz "atosekundni laser" dobio je ime po nevjerojatno kratkom vremenskom razdoblju na kojem djeluje, točnije reda veličine atosekundi, što odgovara 10^-18 sekundi. Da bismo shvatili duboki značaj ove tehnologije, ključno je temeljno razumijevanje što atosekunda znači. Atosekunda predstavlja izuzetno minutnu jedinicu vremena, koja predstavlja milijardu milijarditog dijela sekunde u širem kontekstu jedne sekunde. Da bismo to stavili u perspektivu, ako bismo sekundu usporedili s visokom planinom, atosekunda bi bila slična jednom zrnu pijeska smještenom u podnožju planine. U ovom prolaznom vremenskom intervalu, čak i svjetlost jedva može prijeći udaljenost ekvivalentnu veličini pojedinačnog atoma. Korištenjem atosekundnih lasera, znanstvenici stječu neviđenu sposobnost proučavanja i manipuliranja složenom dinamikom elektrona unutar atomskih struktura, slično usporenoj reprodukciji kadar po kadar u kinematografskoj sekvenci, čime se udubljuje u njihovu međuigru.

Atosekundni laseripredstavljaju kulminaciju opsežnog istraživanja i usklađenih 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 bi se razjasnila priroda atosekundnih lasera i cijenila njihova nekonvencionalna svojstva u usporedbi s konvencionalnim laserima, nužno je istražiti njihovu kategorizaciju unutar šire "obitelji lasera". Klasifikacija prema valnoj duljini smješta atosekundne lasere pretežno u raspon ultraljubičastih do mekih rendgenskih frekvencija, što znači da su njihove valne duljine znatno kraće u usporedbi s konvencionalnim laserima. Što se tiče izlaznih načina rada, atosekundni laseri spadaju u kategoriju pulsirajućih lasera, karakteriziranih izuzetno kratkim trajanjem pulsa. Radi jasnoće, kontinuirani laseri mogu se zamisliti kao svjetiljka koja emitira kontinuirani snop svjetlosti, dok pulsni laseri nalikuju stroboskopskom svjetlu, brzo se izmjenjujući između razdoblja osvjetljenja i tame. U biti, atosekundni laseri pokazuju pulsirajuće ponašanje unutar osvjetljenja i tame, no njihov prijelaz između dva stanja odvija se zapanjujućom frekvencijom, dosežući područje atosekundi.

Daljnja kategorizacija prema snazi ​​​​smješta lasere u kategorije male, srednje i velike snage. Atosekundni laseri postižu visoku vršnu snagu zbog izuzetno 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 povišenu vršnu snagu.

Što se tiče područja primjene, laseri obuhvaćaju spektar koji obuhvaća industrijske, medicinske i znanstvene primjene. Atosekundni laseri prvenstveno pronalaze svoju nišu u području znanstvenih istraživanja, posebno u istraživanju brzo razvijajućih fenomena unutar područja fizike i kemije, nudeći uvid u brze dinamičke procese mikrokozmičkog svijeta.

Kategorizacija prema laserskom mediju dijeli lasere na plinske lasere, lasere u čvrstom stanju, tekuće lasere i poluvodičke lasere. Generiranje atosekundnih lasera obično se temelji na plinskim laserskim medijima, iskorištavajući nelinearne optičke efekte za stvaranje harmonika višeg reda.

Ukratko, atosekundni laseri predstavljaju jedinstvenu klasu lasera kratkog impulsa, koje odlikuje iznimno kratko trajanje impulsa, obično mjereno u atosekundama. Kao rezultat toga, postali su nezamjenjivi alati za promatranje i kontrolu ultrabrzih dinamičkih procesa elektrona unutar atoma, molekula i čvrstih materijala.

Složen proces generiranja atosekundnog lasera

Atosekundna laserska tehnologija stoji na čelu znanstvenih inovacija, hvaleći se intrigantno strogim skupom uvjeta za njezino generiranje. Kako bismo razjasnili zamršenosti generiranja atosekundnih lasera, započinjemo sažetim izlaganjem njegovih temeljnih principa, nakon čega slijede živopisne metafore izvedene iz svakodnevnih iskustava. Čitatelji koji nisu upućeni u zamršenosti relevantne fizike ne moraju očajavati, jer sljedeće metafore imaju za cilj učiniti temeljnu fiziku atosekundnih lasera pristupačnom.

Proces generiranja atosekundnih lasera prvenstveno se oslanja na tehniku ​​poznatu kao generacija visokih harmonika (HHG). Prvo, snop visokointenzivnih femtosekundnih (10^-15 sekundi) laserskih impulsa čvrsto se fokusira na plinoviti ciljni materijal. Vrijedi napomenuti da femtosekundni laseri, slični atosekundnim laserima, dijele karakteristike kratkog trajanja impulsa i visoke 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, na kraju se vraćaju i rekombiniraju sa svojim matičnim atomskim jezgrama, stvarajući nova visokoenergetska stanja.

Tijekom ovog procesa, elektroni se kreću izuzetno velikim brzinama, a nakon rekombinacije s atomskim jezgrama oslobađaju dodatnu energiju u obliku visokoharmonijskih emisija, manifestirajući se kao visokoenergetski fotoni.

Frekvencije ovih novogeneriranih visokoenergetskih fotona su cjelobrojni višekratnici izvorne laserske frekvencije, tvoreći ono što se naziva harmonici visokog reda, gdje "harmonici" označavaju frekvencije koje su cjelobrojni višekratnici izvorne frekvencije. Da bi se postigli atosekundni laseri, potrebno je filtrirati i fokusirati ove harmonike visokog reda, odabirući specifične harmonike i koncentrirajući ih u žarišnu točku. Po želji, tehnike kompresije impulsa mogu dodatno skratiti trajanje impulsa, dajući ultrakratke impulse u atosekundnom rasponu. Očito je da generiranje atosekundnih lasera predstavlja sofisticiran i višestruki proces koji zahtijeva visok stupanj tehničke vještine i specijaliziranu opremu.

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

Visokointenzivni femtosekundni laserski impulsi:

Zamislite da posjedujete iznimno snažan katapult sposoban trenutno bacati kamenje kolosalnim brzinama, slično ulozi koju igraju visokointenzivni femtosekundni laserski impulsi.

Plinoviti ciljni materijal:

Zamislite mirnu vodenu površinu koja simbolizira plinoviti ciljni materijal, gdje svaka kapljica vode predstavlja bezbroj atoma plina. Čin potiskivanja kamenja u ovu vodenu površinu analogno odražava utjecaj visokointenzivnih femtosekundnih laserskih impulsa na plinoviti ciljni materijal.

Gibanje i rekombinacija elektrona (fizički nazvano prijelaz):

Kada femtosekundni laserski impulsi udare u atome plina unutar plinovitog ciljanog materijala, značajan broj vanjskih elektrona trenutno se pobuđuje u stanje u kojem se odvajaju od svojih atomskih jezgri, formirajući stanje slično plazmi. Kako se energija sustava potom smanjuje (budući da su laserski impulsi inherentno pulsirajući, s intervalima prestanka), ovi vanjski elektroni vraćaju se u blizinu atomskih jezgri, oslobađajući fotone visoke energije.

Generiranje visokih harmonika:

Zamislite da svaki put kada kapljica vode padne natrag na površinu jezera, stvara valove, slično visokim harmonicima u atosekundnim laserima. Ovi valovi imaju više frekvencije i amplitude od izvornih valova uzrokovanih primarnim femtosekundnim laserskim pulsom. Tijekom HHG procesa, snažna laserska zraka, slična kontinuiranom bacanju kamenja, osvjetljava plinsku metu, koja nalikuje površini jezera. Ovo intenzivno lasersko polje pomiče elektrone u plinu, analogno valovima, dalje od njihovih matičnih atoma, a zatim ih povlači natrag. Svaki put kada se elektron vrati atomu, on emitira novu lasersku zraku s višom frekvencijom, slično složenijim uzorcima valova.

Filtriranje i fokusiranje:

Kombiniranjem svih ovih novogeneriranih laserskih zraka dobiva se spektar različitih boja (frekvencija ili valnih duljina), od kojih neke čine atosekundni laser. Za izoliranje specifičnih veličina i frekvencija valova možete upotrijebiti specijalizirani filter, sličan odabiru željenih valova, i upotrijebiti povećalo za fokusiranje na određeno područje.

Kompresija impulsa (ako je potrebno):

Ako želite brže i kraće širenje valova, možete ubrzati njihovo širenje pomoću specijaliziranog uređaja, smanjujući vrijeme trajanja svakog valova. Generiranje atosekundnih lasera uključuje složenu interakciju procesa. Međutim, kada se raščlani i vizualizira, postaje razumljivije.