Op de avond van 3 oktober 2023 werd in een gedenkwaardige aankondiging de Nobelprijs voor de Natuurkunde van 2023 bekendgemaakt. Deze prijs erkent de uitzonderlijke bijdragen van drie wetenschappers die een cruciale rol hebben gespeeld als pioniers op het gebied van de attoseconde lasertechnologie.

De term "attoseconde laser" is afgeleid van de ongelooflijk korte tijdschaal waarop deze werkt, namelijk in de orde van attoseconden, oftewel 10⁻¹⁸ seconden. Om de diepgaande betekenis van deze technologie te begrijpen, is een fundamenteel begrip van wat een attoseconde inhoudt van cruciaal belang. Een attoseconde is een extreem kleine tijdseenheid, namelijk een miljardste van een miljardste van een seconde binnen de bredere context van een seconde. Om dit in perspectief te plaatsen: als we een seconde zouden vergelijken met een torenhoge berg, dan zou een attoseconde te vergelijken zijn met een enkel zandkorreltje aan de voet van die berg. In dit vluchtige tijdsinterval kan zelfs licht nauwelijks een afstand afleggen die gelijk is aan de grootte van een individueel atoom. Door het gebruik van attoseconde lasers krijgen wetenschappers de ongekende mogelijkheid om de complexe dynamiek van elektronen binnen atoomstructuren nauwkeurig te bestuderen en te manipuleren, vergelijkbaar met een beeld-voor-beeld slow-motion weergave in een filmsequentie, waardoor ze hun onderlinge wisselwerking kunnen doorgronden.

Attoseconde lasersZe vertegenwoordigen het hoogtepunt van uitgebreid onderzoek en gezamenlijke inspanningen van wetenschappers die de principes van niet-lineaire optica hebben benut om ultrasnelle lasers te ontwikkelen. Hun komst heeft ons een innovatief perspectief geboden voor de observatie en verkenning van de dynamische processen die zich afspelen in atomen, moleculen en zelfs elektronen in vaste materialen.

Om de aard van attoseconde lasers te verduidelijken en hun onconventionele eigenschappen ten opzichte van conventionele lasers te waarderen, is het essentieel om hun classificatie binnen de bredere "laserfamilie" te onderzoeken. Classificatie op basis van golflengte plaatst attoseconde lasers voornamelijk in het bereik van ultraviolet tot zachte röntgenstraling, wat hun aanzienlijk kortere golflengtes in vergelijking met conventionele lasers aangeeft. Wat betreft de outputmodi vallen attoseconde lasers onder de categorie gepulseerde lasers, gekenmerkt door hun extreem korte pulsduur. Ter verduidelijking kan men een continue-golflaser vergelijken met een zaklamp die een continue lichtstraal uitzendt, terwijl gepulseerde lasers lijken op een stroboscoop, die snel afwisselt tussen perioden van licht en donker. In essentie vertonen attoseconde lasers een pulserend gedrag binnen de licht- en donkerperiode, maar de overgang tussen de twee toestanden vindt plaats met een verbazingwekkende frequentie, die het attosecondebereik bereikt.

Verdere categorisatie op basis van vermogen plaatst lasers in de categorieën laag, gemiddeld en hoog vermogen. Attoseconde lasers bereiken een hoog piekvermogen dankzij hun extreem korte pulsduur, wat resulteert in een uitgesproken piekvermogen (P) – gedefinieerd als de energie-intensiteit per tijdseenheid (P=W/t). Hoewel individuele attoseconde laserpulsen mogelijk geen uitzonderlijk grote energie (W) bezitten, zorgt hun korte tijdsduur (t) ervoor dat ze een verhoogd piekvermogen hebben.

Wat toepassingsgebieden betreft, bestrijken lasers een breed spectrum dat industriële, medische en wetenschappelijke toepassingen omvat. Attoseconde lasers vinden hun niche vooral in de wetenschappelijke onderzoekswereld, met name bij het bestuderen van snel veranderende verschijnselen binnen de natuurkunde en scheikunde, en bieden zo een venster op de snelle, dynamische processen in de microkosmos.

De categorisatie op basis van het lasermedium onderscheidt gaslasers, vastestoflasers, vloeistoflasers en halfgeleiderlasers. De opwekking van attoseconde lasers is doorgaans gebaseerd op gasvormige lasermedia, waarbij gebruik wordt gemaakt van niet-lineaire optische effecten om hogere harmonischen te genereren.

Samenvattend vormen attoseconde lasers een unieke klasse van lasers met korte pulsen, die zich onderscheiden door hun buitengewoon korte pulsduur, doorgaans gemeten in attoseconden. Daardoor zijn ze onmisbare instrumenten geworden voor het observeren en beheersen van de ultrasnelle dynamische processen van elektronen in atomen, moleculen en vaste stoffen.

Het complexe proces van attoseconde lasergeneratie

Attoseconde lasertechnologie staat aan de voorfront van wetenschappelijke innovatie en kent een intrigerend strenge reeks voorwaarden voor de opwekking ervan. Om de complexiteit van attoseconde lasergeneratie te verduidelijken, beginnen we met een beknopte uiteenzetting van de onderliggende principes, gevolgd door levendige metaforen ontleend aan alledaagse ervaringen. Lezers die niet bekend zijn met de fijne kneepjes van de relevante natuurkunde hoeven niet te wanhopen, want de daaropvolgende metaforen zijn erop gericht de fundamentele natuurkunde van attoseconde lasers toegankelijk te maken.

Het opwekkingsproces van attoseconde lasers berust voornamelijk op de techniek die bekend staat als hoogharmonische generatie (HHG). Allereerst wordt een bundel laserpulsen met hoge intensiteit en een pulsduur van 10⁻¹⁵ seconden (femtoseconde) nauwkeurig gefocusseerd op een gasvormig doelwit. Het is belangrijk om te weten dat femtoseconde lasers, net als attoseconde lasers, de kenmerken delen van korte pulsduur en hoog piekvermogen. Onder invloed van het intense laserveld worden elektronen in de gasatomen tijdelijk losgemaakt van hun atoomkernen en komen ze tijdelijk in een toestand van vrije elektronen terecht. Terwijl deze elektronen oscilleren als reactie op het laserveld, keren ze uiteindelijk terug naar hun oorspronkelijke atoomkernen en recombineren ze ermee, waardoor nieuwe energietoestanden ontstaan.

Tijdens dit proces bewegen elektronen met extreem hoge snelheden en bij recombinatie met de atoomkernen komt er extra energie vrij in de vorm van hoogfrequente emissies, die zich manifesteren als hoogenergetische fotonen.

De frequenties van deze nieuw gegenereerde hoogenergetische fotonen zijn gehele veelvouden van de oorspronkelijke laserfrequentie, waardoor zogenaamde hogere-orde harmonischen ontstaan. Om attoseconde lasers te verkrijgen, is het noodzakelijk om deze hogere-orde harmonischen te filteren en te focussen, waarbij specifieke harmonischen worden geselecteerd en geconcentreerd in een focuspunt. Indien gewenst kunnen pulscompressietechnieken de pulsduur verder verkorten, wat resulteert in ultrakorte pulsen in het attosecondebereik. Het genereren van attoseconde lasers is duidelijk een geavanceerd en veelzijdig proces dat een hoge mate van technische bekwaamheid en gespecialiseerde apparatuur vereist.

Om dit ingewikkelde proces te verduidelijken, bieden we een metaforische parallel aan, gebaseerd op alledaagse situaties:

Hoogintensieve femtoseconde laserpulsen:

Stel je voor dat je beschikt over een uitzonderlijk krachtige katapult die in een oogwenk stenen met kolossale snelheden kan wegslingeren, vergelijkbaar met de rol die hoogintensieve femtoseconde laserpulsen spelen.

Gasvormig doelwitmateriaal:

Stel je een rustig wateroppervlak voor dat symbool staat voor het gasvormige doelwit, waarbij elke waterdruppel talloze gasatomen vertegenwoordigt. Het gooien van stenen in dit wateroppervlak is een analoge weergave van de impact van hoogintensieve femtoseconde laserpulsen op het gasvormige doelwit.

Elektronenbeweging en recombinatie (fysisch aangeduid als overgang):

Wanneer femtoseconde laserpulsen de gasatomen in het gasvormige doelwit raken, wordt een aanzienlijk aantal buitenste elektronen tijdelijk aangeslagen tot een toestand waarin ze loskomen van hun respectievelijke atoomkernen, waardoor een plasma-achtige toestand ontstaat. Naarmate de energie van het systeem vervolgens afneemt (omdat de laserpulsen inherent gepulseerd zijn en intervallen van onderbreking kennen), keren deze buitenste elektronen terug naar hun omgeving van de atoomkernen en zenden daarbij hoogenergetische fotonen uit.

Hoge harmonische generatie:

Stel je voor dat elke keer dat een waterdruppel terugvalt op het oppervlak van het meer, er rimpelingen ontstaan, vergelijkbaar met hoge harmonischen in attoseconde lasers. Deze rimpelingen hebben hogere frequenties en amplitudes dan de oorspronkelijke rimpelingen die werden veroorzaakt door de primaire femtoseconde laserpuls. Tijdens het HHG-proces (High Harmonic Generation) verlicht een krachtige laserstraal, vergelijkbaar met het continu gooien van stenen, een gasvormig doelwit, dat lijkt op het oppervlak van het meer. Dit intense laserveld stuwt elektronen in het gas, analoog aan rimpelingen, weg van hun moederatomen en trekt ze vervolgens weer terug. Telkens wanneer een elektron terugkeert naar het atoom, zendt het een nieuwe laserstraal uit met een hogere frequentie, vergelijkbaar met complexere rimpelpatronen.

Filteren en scherpstellen:

Door al deze nieuw gegenereerde laserstralen te combineren, ontstaat een spectrum van verschillende kleuren (frequenties of golflengten), waarvan sommige de attoseconde laser vormen. Om specifieke rimpelgroottes en -frequenties te isoleren, kan men een speciaal filter gebruiken, vergelijkbaar met het selecteren van de gewenste rimpelingen, en een vergrootglas gebruiken om ze op een specifiek gebied te focussen.

Pulscompressie (indien nodig):

Als je rimpelingen sneller en korter wilt laten voortplanten, kun je hun voortplanting versnellen met behulp van een gespecialiseerd apparaat, waardoor de duur van elke rimpeling wordt verkort. De opwekking van attoseconde lasers omvat een complex samenspel van processen. Wanneer deze echter worden ontleed en gevisualiseerd, wordt het begrijpelijker.