In 'n gedenkwaardige aankondiging op die aand van 3 Oktober 2023 is die Nobelprys vir Fisika vir die jaar 2023 onthul, wat die uitstaande bydraes van drie wetenskaplikes erken wat sleutelrolle as pioniers op die gebied van attosekonde-lasertegnologie gespeel het.

Die term "attosekonde laser" kry sy naam van die ongelooflik kort tydskaal waarop dit werk, spesifiek in die orde 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, van kardinale belang. 'n Attosekonde staan ​​as 'n uiters minuut-eenheid van tyd, wat een miljardste van 'n miljardste van 'n sekonde binne die breër konteks van 'n enkele sekonde uitmaak. Om dit in perspektief te plaas, as ons 'n sekonde met 'n toringende berg sou vergelyk, sou 'n attosekonde soortgelyk wees aan 'n enkele sandkorrel wat aan die voet van die berg genestel is. In hierdie vlietende temporale interval kan selfs lig skaars 'n afstand aflê wat gelykstaande is aan die grootte van 'n individuele atoom. Deur die gebruik van attosekonde lasers verkry 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 filmiese reeks, en sodoende in hul interaksie te delf.

Attosekonde lasersverteenwoordig die kulminasie van uitgebreide navorsing en gesamentlike pogings deur wetenskaplikes wat die beginsels van nie-lineêre optika aangewend het om ultrasnelle lasers te vervaardig. Hul koms het ons 'n innoverende uitkykpunt gegee 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 te verduidelik 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 dui op hul merkbaar korter golflengtes in teenstelling met konvensionele lasers. In terme van uitvoermodusse val attosekonde-lasers onder die kategorie van gepulseerde lasers, wat gekenmerk word deur hul buitengewoon kort pulsduur. Om 'n analogie vir duidelikheid te trek, kan 'n mens kontinue-golf-lasers voorstel as soortgelyk aan 'n flitslig wat 'n kontinue ligstraal uitstraal, terwyl gepulseerde lasers soos 'n stroboskooplig lyk, wat vinnig afwissel tussen periodes van verligting en donkerte. In wese vertoon attosekonde-lasers 'n pulserende gedrag binne die verligting en donkerte, maar hul oorgang tussen die twee toestande vind plaas teen 'n verstommende frekwensie en bereik die gebied van attosekondes.

Verdere kategorisering volgens krag plaas lasers in lae-krag, medium-krag en hoë-krag kategorieë. 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 tydseenheid (P=W/t). Alhoewel individuele attosekonde laserpulse dalk nie buitengewoon groot energie (W) besit nie, verleen hul verkorte temporale omvang (t) hulle verhoogde piekkrag.

Wat toepassingsdomeine betref, strek lasers oor 'n spektrum wat industriële, mediese en wetenskaplike toepassings omvat. Attosekonde-lasers vind hul nis hoofsaaklik 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 op die mikrokosmiese wêreld se vinnige dinamiese prosesse.

Kategorisering volgens lasermedium onderskei lasers as gaslasers, vastetoestandlasers, vloeibare lasers en halfgeleierlasers. Die generering van attosekondelasers hang tipies af van gaslasermedia, wat gebruik maak van nie-lineêre optiese effekte om hoë-orde harmonieke te veroorsaak.

Kortliks, attosekonde-lasers vorm 'n unieke klas kortpulslasers, wat onderskei word deur hul buitengewoon kort pulsduur, tipies gemeet in attosekondes. Gevolglik het hulle onontbeerlike gereedskap geword vir die waarneming en beheer van die ultrasnelle dinamiese prosesse van elektrone binne atome, molekules en vaste materiale.

Die uitgebreide proses van attosekonde lasergenerering

Attosekonde-lasertegnologie staan ​​aan die voorpunt van wetenskaplike innovasie en spog met 'n fassinerend streng stel voorwaardes vir die opwekking daarvan. Om die ingewikkeldhede van attosekonde-laseropwekking te verduidelik, begin ons met 'n bondige uiteensetting van die onderliggende beginsels, gevolg deur lewendige metafore afgelei van alledaagse ervarings. Lesers wat nie vertroud is met die ingewikkeldhede van die relevante fisika nie, hoef nie wanhoop te kry nie, aangesien die daaropvolgende metafore daarop gemik is om die fundamentele fisika van attosekonde-lasers toeganklik te maak.

Die opwekkingsproses van attosekonde-lasers berus hoofsaaklik op die tegniek bekend as Hoë Harmoniese Opwekking (HHG). Eerstens word 'n straal hoë-intensiteit femtosekonde (10^-15 sekondes) laserpulse styf gefokus op 'n gasvormige teikenmateriaal. Dit is die moeite werd om daarop te let dat femtosekonde-lasers, soortgelyk aan attosekonde-lasers, die eienskappe deel van kort pulsduur en hoë piekkrag. Onder die invloed van die intense laserveld word elektrone binne die gasatome oombliklik van hul atoomkerne vrygestel, wat tydelik 'n toestand van vrye elektrone betree. Soos hierdie elektrone ossilleer in reaksie op die laserveld, keer hulle uiteindelik terug na en herkombineer hulle met hul ouer atoomkerne, wat nuwe hoë-energie toestande skep.

Tydens hierdie proses beweeg elektrone teen uiters hoë snelhede, en na rekombinasie met die atoomkerne stel hulle addisionele energie vry in die vorm van hoë harmoniese emissies, wat manifesteer as hoë-energie fotone.

Die frekwensies van hierdie nuut gegenereerde hoë-energie fotone is heelgetal veelvoude van die oorspronklike laserfrekwensie, wat vorm wat hoë-orde harmonieke genoem word, waar "harmoneke" frekwensies aandui wat heelgetal veelvoude van die oorspronklike frekwensie is. Om attosekonde lasers te verkry, word dit nodig om hierdie hoë-orde harmonieke te filter en te fokus, spesifieke harmonieke te kies en hulle in 'n fokuspunt te konsentreer. Indien verlang, kan pulskompressietegnieke die pulsduur verder verkort, wat ultra-kort pulse in die attosekonde-reeks lewer. Dit is duidelik dat die opwekking van attosekonde lasers 'n gesofistikeerde en veelsydige proses is, wat 'n hoë mate van tegniese vaardigheid en gespesialiseerde toerusting vereis.

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

Hoë-intensiteit Femtosekonde Laserpulse:

Stel jou voor dat jy 'n buitengewoon kragtige katapult besit wat klippe onmiddellik teen kolossale snelhede kan gooi, soortgelyk aan die rol wat hoë-intensiteit femtosekonde laserpulse speel.

Gasvormige teikenmateriaal:

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

Elektronbeweging en Rekombinasie (Fisies Getermineerde Oorgang):

Wanneer femtosekonde-laserpulse die gasatome binne die gasvormige teikenmateriaal tref, word 'n beduidende aantal buitenste elektrone tydelik opgewek tot 'n toestand waar hulle van hul onderskeie atoomkerne losmaak en 'n plasma-agtige toestand vorm. Namate die stelsel se energie vervolgens afneem (aangesien die laserpulse inherent gepulseer is, met tussenposes van staking), keer hierdie buitenste elektrone terug na hul omgewing van die atoomkerne en stel hoë-energie fotone 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 die voortdurende gooi van klippe, 'n gasteiken, wat soos 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 met 'n hoër frekwensie uit, soortgelyk aan meer ingewikkelde rimpelpatrone.

Filtering en Fokusering:

Deur al hierdie nuutgegenereerde laserstrale te kombineer, word 'n spektrum van verskillende kleure (frekwensies of golflengtes) opgelewer, waarvan sommige die attosekonde-laser vorm. Om spesifieke rimpelgroottes en frekwensies te isoleer, kan jy 'n gespesialiseerde filter gebruik, soortgelyk aan die seleksie van gewenste rimpelings, en 'n vergrootglas gebruik om hulle op 'n spesifieke area te fokus.

Pulskompressie (indien nodig):

As jy daarop gemik is om rimpels vinniger en korter te versprei, kan jy hul voortplanting versnel deur 'n gespesialiseerde toestel te gebruik, wat die duur van elke rimpel verminder. Die opwekking van attosekonde-lasers behels 'n komplekse wisselwerking van prosesse. Wanneer dit egter afgebreek en gevisualiseer word, word dit meer verstaanbaar.