I en stor kunngjøring om kvelden 3. oktober 2023 ble Nobelprisen i fysikk for året 2023 avduket, og anerkjente de enestående bidragene fra tre forskere som har spilt sentrale roller som pionerer innen ATTOSECOND LASER -teknologi.

Begrepet "attosekund laser" henter navnet fra den utrolig korte tidsskalaen det opererer på, spesielt i størrelsesorden attosekunder, tilsvarende 10^-18 sekunder. For å forstå den dype betydningen av denne teknologien, er en grunnleggende forståelse av hva et attosekund betyr viktig. Et attosekund står som en overordentlig minutts tidsenhet, og utgjør en milliarddel av en milliarddel av et sekund innenfor den bredere konteksten på et enkelt sekund. For å sette dette i perspektiv, hvis vi skulle likne et sekund med et ruvende fjell, ville et attosekund være beslektet med et enkelt korn med sand som ligger ved fjellets base. I dette flyktige tidsmessige intervallet kan til og med lys knapt krysse en avstand som tilsvarer størrelsen på et individuelt atom. Gjennom bruk av attosekundlasere får forskere en enestående evne til å granske og manipulere den intrikate dynamikken til elektroner i atomstrukturer, i likhet med en ramme-for-ramme sakte-bevegelse replay i en filmatisk sekvens, og derved dykke inn i deres interplay.

ATTOSECOND -lasereRepresentere kulminasjonen av omfattende forskning og samordnet innsats fra forskere, som har utnyttet prinsippene for ikke -lineær optikk for å lage ultrafast lasere. Deres advent har gitt oss et innovativt utsiktspunkt for observasjon og utforskning av de dynamiske prosessene som transpirerer innen atomer, molekyler og til og med elektroner i faste materialer.

For å belyse arten av attosekundlasere og sette pris på deres ukonvensjonelle attributter i forhold til konvensjonelle lasere, er det viktig å utforske deres kategorisering i den bredere "laserfamilien." Klassifisering av bølgelengde plasserer at attosekund lasere hovedsakelig er innenfor området ultrafiolett til myke røntgenfrekvenser, noe som indikerer deres spesielt kortere bølgelengder i motsetning til konvensjonelle lasere. Når det gjelder utgangsmodus, faller attosekundlasere under kategorien pulserte lasere, preget av deres overordentlig korte pulsvarighet. For å trekke en analogi for klarhet, kan man se for seg kontinuerlige bølge-lasere som i likhet med en lommelykt som slipper ut en kontinuerlig lysstråle, mens pulserte lasere ligner en strobelys, raskt vekslende mellom perioder med belysning og mørke. I hovedsak viser attosekund -lasere en pulserende oppførsel innen belysningen og mørket, men likevel overganger deres overgang mellom de to statene med en forbløffende frekvens, og når riket til attosekunder.

Ytterligere kategorisering av kraftplasser lasere til lav effekt, middels kraft og høykraftbeslag. ATTOSECOND -lasere oppnår høy toppkraft på grunn av deres ekstremt korte pulsvarighet, noe som resulterer i en uttalt toppkraft (P) - definert som energienes intensitet per tidsenhet (P = W/T). Selv om individuelle attosekund laserpulser kanskje ikke har eksepsjonelt stor energi (W), gir deres forkortede tidsmessige omfang (t) dem med forhøyet toppkraft.

Når det gjelder applikasjonsdomener, spenner lasere et spekter som omfatter industrielle, medisinske og vitenskapelige applikasjoner. Attosekund -lasere finner først og fremst sin nisje innenfor vitenskapens forskning, spesielt i utforskningen av raskt utviklende fenomener innenfor fysikk og kjemi, og tilbyr et vindu inn i den mikrokosmiske verdens raske dynamiske prosesser.

Kategorisering av lasermedium avgrenser lasere som gasslasere, faststofflasere, flytende lasere og halvlederlasere. Generering av attosekundlasere henger typisk på gasslasermedier, og utnytter ikke-lineære optiske effekter for å skape harmonikk med høy orden.

I summen utgjør attosekundlasere en unik klasse av kortpuls-lasere, utmerket med deres ekstraordinære korte pulsvarigheter, vanligvis målt i attosekunder. Som et resultat har de blitt uunnværlige verktøy for å observere og kontrollere de ultrahastede dynamiske prosessene til elektroner i atomer, molekyler og faste materialer.

Den forseggjorte prosessen med Attosecond Laser Generation

ATTOSECOND LASER -teknologi står i forkant av vitenskapelig innovasjon, og kan skryte av et spennende strengt sett med betingelser for sin generasjon. For å belyse vanskeligheter med Attosecond Laser -generering, begynner vi med en kortfattet utstilling av dens underliggende prinsipper, etterfulgt av livlige metaforer avledet fra hverdagslige opplevelser. Leserne som ikke er i forhold til den relevante fysikken, trenger ikke fortvilte, da de påfølgende metaforene tar sikte på å gjengi grunnleggende fysikk for attosekund -lasere tilgjengelig.

Genereringsprosessen med attosekund -lasere er først og fremst avhengig av teknikken kjent som High Harmonic Generation (HHG). For det første er en bjelke med høyintensiv femtosekund (10^-15 sekunder) laserpulser tett fokusert på et gassformig målmateriale. Det er verdt å merke seg at femtosecond -lasere, som tilsvarer attosekundlasere, deler egenskapene ved å ha kort pulsvarighet og høy toppkraft. Under påvirkning av det intense laserfeltet blir elektroner i gassatomene øyeblikkelig frigjort fra sine atomkjerner, og forbigående kommer inn i en tilstand av frie elektroner. Når disse elektronene svinger som respons på laserfeltet, vender de etter hvert tilbake til og rekombinerer med sine foreldre-atomkjerner, og skaper nye høyenergilater.

Under denne prosessen beveger elektroner seg med ekstremt høye hastigheter, og ved rekombinasjon med atomkjernene frigjør de ytterligere energi i form av høye harmoniske utslipp, og manifesterer seg som høye energi-fotoner.

Frekvensene til disse ny genererte høye energi-fotonene er heltallmultipler av den opprinnelige laserfrekvensen, og danner det som kalles høye ordens harmonikker, der "harmonikk" betegner frekvenser som er integrerte multipler av den opprinnelige frekvensen. For å oppnå attosekund-lasere, blir det nødvendig å filtrere og fokusere disse høyordre harmonikkene, velge spesifikke harmonikker og konsentrere dem til et samlingspunkt. Om ønskelig kan pulskomprimeringsteknikker ytterligere forkorte pulsvarigheten, og gi ultra-kortpulser i attosekundområdet. Det er klart at generasjonen av attosekundlasere utgjør en sofistikert og mangefasettert prosess, og krever en høy grad av teknisk dyktighet og spesialisert utstyr.

For å avmystifisere denne intrikate prosessen, tilbyr vi et metaforisk parallelt forankret i hverdagens scenarier:

Høyintensitet femtosekund laserpulser:

Se for seg å ha en usedvanlig potent katapult som er i stand til øyeblikkelig å kaste steiner i kolossale hastigheter, i likhet med rollen som er spilt av femtosekund laserpulser med høy intensitet.

Gassholdig målmateriale:

Se på en rolig vannmasse som symboliserer det gassformige målmaterialet, der hver dråpe vann representerer utallige gassatomer. Handlingen med å drive steiner inn i denne vannmassen speiler analogt effekten av høyintensitet femtosekund laserpulser på det gassformige målmaterialet.

Elektronbevegelse og rekombinasjon (fysisk betegnet overgang):

Når femtosekund-laserpulser påvirker gassatomene i gassformensmaterialet, er et betydelig antall ytre elektroner øyeblikkelig begeistret for en tilstand der de løsner fra sine respektive atomkjerner, og danner en plasmaslignende tilstand. Når systemets energi senere avtar (siden laserpulsene iboende er pulserende, med opphør av opphør), går disse ytre elektronene tilbake til deres nærhet av atomkjernene, og frigjør fotoner med høy energi.

Høy harmonisk generasjon:

Se for deg hver gang en vanndråpe faller tilbake til innsjøens overflate, skaper det krusninger, omtrent som høye harmonikker i attosekundlasere. Disse krusningene har høyere frekvenser og amplituder enn de originale krusningene forårsaket av den primære femtosekundlaserpulsen. Under HHG -prosessen lyser en kraftig laserstråle, som ligner kontinuerlig å kaste steiner, et gassmål, som ligner innsjøens overflate. Dette intense laserfeltet driver elektroner i gassen, analogt med krusninger, vekk fra foreldreatomer og trekker dem deretter tilbake. Hver gang et elektron går tilbake til atomet, avgir det en ny laserstråle med en høyere frekvens, i likhet med mer intrikate krusningsmønstre.

Filtrering og fokusering:

Å kombinere alle disse nylig genererte laserstrålene gir et spekter av forskjellige farger (frekvenser eller bølgelengder), hvorav noen utgjør attosekundlaseren. For å isolere spesifikke krusningsstørrelser og frekvenser, kan du bruke et spesialisert filter, ligner på å velge ønskede krusninger og bruke et forstørrelsesglass for å fokusere dem på et bestemt område.

Pulskompresjon (om nødvendig):

Hvis du tar sikte på å forplante krusninger raskere og kortere, kan du fremskynde deres forplantning ved hjelp av en spesialisert enhet, og redusere tiden hver krusning varer. Generering av attosekund -lasere involverer et komplekst samspill av prosesser. Når det er brutt ned og visualisert, blir det imidlertid mer forståelig.