In 'n belangrike aankondiging op die aand van 3 Oktober 2023, is die Nobelprys vir Fisika vir die jaar 2023 onthul, ter erkenning van die uitstaande bydraes van drie wetenskaplikes wat deurslaggewende rolle gespeel het as pioniers op die gebied van attosekonde lasertegnologie.

Die term "attosekonde laser" ontleen sy naam aan die ongelooflike kort tydskaal waarop dit werk, spesifiek in die volgorde van attosekondes, wat ooreenstem met 10^-18 sekondes. Om die diepgaande betekenis van hierdie tegnologie te begryp, is 'n fundamentele begrip van wat 'n attosekonde beteken uiters belangrik. 'n Attosekonde staan ​​as 'n uiters minuut-eenheid van tyd, wat een miljardste van 'n biljoenste van 'n sekonde uitmaak binne die breër konteks van 'n enkele sekonde. Om dit in perspektief te plaas, as ons 'n sekonde met 'n hoë berg sou vergelyk, sou 'n attosekonde soortgelyk wees aan 'n enkele sandkorrel wat by die berg se basis geleë is. In hierdie vlietende temporele interval kan selfs lig skaars 'n afstand oorbrug wat gelykstaande is aan die grootte van 'n individuele atoom. Deur die gebruik van attosekonde-lasers kry wetenskaplikes die ongekende vermoë om die ingewikkelde dinamika van elektrone binne atoomstrukture te ondersoek en te manipuleer, soortgelyk aan 'n raam-vir-raam stadige aksie-herhaling in 'n filmreeks, en sodoende in hul wisselwerking te delf.

Attosekonde lasersverteenwoordig die hoogtepunt van uitgebreide navorsing en gesamentlike pogings deur wetenskaplikes, wat die beginsels van nie-lineêre optika ingespan het om ultravinnige lasers te vervaardig. Hulle koms het ons 'n innoverende uitkykpunt verskaf vir die waarneming en verkenning van die dinamiese prosesse wat binne atome, molekules en selfs elektrone in vaste materiale plaasvind.

Om die aard van attosekonde lasers toe te lig en hul onkonvensionele eienskappe in vergelyking met konvensionele lasers te waardeer, is dit noodsaaklik om hul kategorisering binne die breër "laserfamilie" te ondersoek. Klassifikasie volgens golflengte plaas attosekonde lasers hoofsaaklik binne die reeks van ultraviolet tot sagte X-straalfrekwensies, wat hul opvallend korter golflengtes in teenstelling met konvensionele lasers aandui. In terme van uitsetmodusse val attosekonde lasers onder die kategorie van gepulseerde lasers, gekenmerk deur hul buitengewoon kort pulsduur. Om 'n analogie vir duidelikheid te trek, kan 'n mens aaneenlopende golflasers voorstel wat soortgelyk is aan 'n flitslig wat 'n aaneenlopende ligstraal uitstraal, terwyl gepulseerde lasers soos 'n flitslig lyk, wat vinnig wissel tussen periodes van verligting en duisternis. In wese vertoon attosekonde-lasers 'n pulserende gedrag binne die verligting en duisternis, maar hul oorgang tussen die twee toestande vind op 'n verstommende frekwensie plaas en bereik die ryk van attosekondes.

Verdere kategorisering volgens krag plaas lasers in laekrag-, mediumkrag- en hoëkraghakies. Attosekonde-lasers bereik hoë piekkrag as gevolg van hul uiters kort pulsduur, wat lei tot 'n uitgesproke piekkrag (P) – gedefinieer as die intensiteit van energie per eenheid tyd (P=W/t). Alhoewel individuele attosekonde laserpulse dalk nie buitengewoon groot energie (W) besit nie, verleen hul verkorte temporele omvang (t) hulle met verhoogde piekkrag.

Wat toepassingsdomeine betref, strek lasers 'n spektrum wat industriële, mediese en wetenskaplike toepassings insluit. Attosekonde lasers vind hoofsaaklik hul nis binne die gebied van wetenskaplike navorsing, veral in die verkenning van vinnig ontwikkelende verskynsels binne die domeine van fisika en chemie, wat 'n venster bied in die mikrokosmiese wêreld se vinnige dinamiese prosesse.

Kategorisering volgens lasermedium omskryf lasers as gaslasers, vastestoflasers, vloeibare lasers en halfgeleierlasers. Die generering van attosekonde-lasers skarnier tipies op gaslasermedia, wat munt slaan uit nie-lineêre optiese effekte om hoë-orde harmonieke te veroorsaak.

Ter opsomming vorm attosekonde-lasers 'n unieke klas kortpulslasers, wat onderskei word deur hul buitengewoon kort polsduur, tipies gemeet in attosekondes. As gevolg hiervan het hulle onontbeerlike gereedskap geword om die ultravinnige dinamiese prosesse van elektrone binne atome, molekules en vaste materiale waar te neem en te beheer.

Die uitgebreide proses van Attosecond Laser Generation

Attosecond-lasertegnologie staan ​​aan die voorpunt van wetenskaplike innovasie, en spog met 'n intrigerend streng stel voorwaardes vir sy generasie. Om die ingewikkeldhede van attosekonde lasergenerering toe te lig, begin ons met 'n bondige uiteensetting van die onderliggende beginsels daarvan, gevolg deur lewendige metafore wat uit alledaagse ervarings afgelei is. Lesers wat nie vertroud is met die ingewikkeldhede van die betrokke fisika hoef nie te wanhoop nie, aangesien die daaropvolgende metafore daarop gemik is om die grondliggende fisika van attosekonde-lasers toeganklik te maak.

Die genereringsproses van attosekonde-lasers berus hoofsaaklik op die tegniek bekend as High Harmonic Generation (HHG). Eerstens word 'n straal van hoë-intensiteit femtosekonde (10^-15 sekondes) laserpulse styf gefokus op 'n gasvormige teikenmateriaal. Dit is opmerklik dat femtosekonde-lasers, soortgelyk aan attosekonde-lasers, die kenmerke deel van kort polsduur en hoë piekkrag. Onder die invloed van die intense laserveld word elektrone binne die gasatome oombliklik uit hul atoomkerne bevry, wat kortstondig 'n toestand van vry elektrone binnegaan. Soos hierdie elektrone ossilleer in reaksie op die laserveld, keer hulle uiteindelik terug na en herkombineer met hul ouer atoomkerne, wat nuwe hoë-energie toestande skep.

Tydens hierdie proses beweeg elektrone teen uiters hoë snelhede, en by herkombinasie met die atoomkerne stel hulle bykomende energie vry in die vorm van hoë harmoniese emissies, wat as hoë-energiefotone manifesteer.

Die frekwensies van hierdie nuutgegenereerde hoë-energie fotone is heelgetalveelvoude van die oorspronklike laserfrekwensie, wat die sogenaamde hoë-orde harmonieke vorm, waar "harmoniese" frekwensies aandui wat integrale veelvoude van die oorspronklike frekwensie is. Om attosekonde lasers te bereik, word dit nodig om hierdie hoë-orde harmonieke te filter en te fokus, spesifieke harmonieke te kies en hulle in 'n fokuspunt te konsentreer. As jy wil, kan polskompressietegnieke die polsduur verder verkort, wat ultra-kort pulse in die attosekonde-reeks lewer. Klaarblyklik is die generering van attosekonde-lasers 'n gesofistikeerde en veelvlakkige proses wat 'n hoë mate van tegniese vaardigheid en gespesialiseerde toerusting vereis.

Om hierdie ingewikkelde proses te demystifiseer, bied ons 'n metaforiese parallel wat in alledaagse scenario's gegrond is:

Hoë-intensiteit Femtosekonde Laser Pulse:

Stel jou voor dat jy 'n buitengewoon kragtige katapult besit wat in staat is om onmiddellik klippe teen kolossale spoed te gooi, soortgelyk aan die rol wat gespeel word deur hoë-intensiteit femtosekonde laserpulse.

Gasvormige teikenmateriaal:

Stel jou 'n rustige watermassa voor wat die gasvormige teikenmateriaal simboliseer, waar elke druppel water talle gasatome verteenwoordig. Die daad om klippe in hierdie watermassa aan te dryf, weerspieël analoog die impak van hoë-intensiteit femtosekonde laserpulse op die gasvormige teikenmateriaal.

Elektronbeweging en -rekombinasie (fisies genoem oorgang):

Wanneer femtosekonde laserpulse die gasatome binne die gasagtige teikenmateriaal tref, word 'n beduidende aantal buitenste elektrone vir 'n oomblik opgewonde tot 'n toestand waar hulle losmaak van hul onderskeie atoomkerne, wat 'n plasma-agtige toestand vorm. Soos die stelsel se energie daarna afneem (aangesien die laserpulse inherent gepuls word, met tussenposes van stop), keer hierdie buitenste elektrone terug na hul omgewing van die atoomkerne en stel hoë-energiefotone vry.

Hoë Harmoniese Generasie:

Stel jou voor dat elke keer as 'n waterdruppel terugval na die meer se oppervlak, dit rimpelings skep, baie soos hoë harmonieke in attosekonde-lasers. Hierdie rimpelings het hoër frekwensies en amplitudes as die oorspronklike rimpelings wat veroorsaak word deur die primêre femtosekonde laserpuls. Tydens die HHG-proses verlig 'n kragtige laserstraal, soortgelyk aan voortdurende gooi van klippe, 'n gasteiken wat op die meer se oppervlak lyk. Hierdie intense laserveld dryf elektrone in die gas, analoog aan rimpelings, weg van hul oueratome en trek hulle dan terug. Elke keer as 'n elektron na die atoom terugkeer, straal dit 'n nuwe laserstraal uit met 'n hoër frekwensie, soortgelyk aan meer ingewikkelde rimpelpatrone.

Filtreer en fokus:

Die kombinasie van al hierdie nuutgegenereerde laserstrale lewer 'n spektrum van verskeie kleure (frekwensies of golflengtes), waarvan sommige die attosekonde laser uitmaak. Om spesifieke rimpelgroottes en -frekwensies te isoleer, kan jy 'n gespesialiseerde filter gebruik, soortgelyk aan die keuse van gewenste rimpelings, en 'n vergrootglas gebruik om dit op 'n spesifieke area te fokus.

Polskompressie (indien nodig):

As jy poog om rimpelings vinniger en korter voort te plant, kan jy hul voortplanting versnel met 'n gespesialiseerde toestel, wat die tyd wat elke rimpeling duur verminder. Die generering van attosekonde lasers behels 'n komplekse wisselwerking van prosesse. Wanneer dit egter afgebreek en gevisualiseer word, word dit meer verstaanbaar.