In een belangrijke aankondiging werd op de avond van 3 oktober 2023 de Nobelprijs voor Natuurkunde voor het jaar 2023 uitgereikt. Daarmee werd de bijzondere bijdrage erkend van drie wetenschappers die een cruciale rol hebben gespeeld als pioniers op het gebied van attoseconde lasertechnologie.

De term "attosecondelaser" ontleent zijn naam aan de ongelooflijk korte tijdschaal waarop hij werkt, met name in de orde van attoseconden, wat overeenkomt met 10^-18 seconden. Om de diepgaande betekenis van deze technologie te begrijpen, is een fundamenteel begrip van wat een attoseconde betekent van cruciaal belang. Een attoseconde is een extreem kleine tijdseenheid, die een miljardste van een miljardste van een seconde vormt binnen de bredere context van een enkele seconde. Om dit in perspectief te plaatsen: als we een seconde zouden vergelijken met een torenhoge berg, zou een attoseconde vergelijkbaar zijn met een enkele zandkorrel die zich aan de voet van de berg nestelt. In dit vluchtige tijdsinterval kan zelfs licht nauwelijks een afstand afleggen die gelijk is aan de grootte van een individueel atoom. Door gebruik te maken van attosecondelasers krijgen wetenschappers een ongekende mogelijkheid om de complexe dynamiek van elektronen in atomaire structuren te onderzoeken en te manipuleren. Dit is te vergelijken met een herhaling in slowmotion van een frame tot frame in een filmsequentie. Zo kunnen ze dieper ingaan op hun onderlinge wisselwerking.

Attoseconde lasersZe vormen het hoogtepunt van uitgebreid onderzoek en gezamenlijke inspanningen van wetenschappers, die de principes van niet-lineaire optica hebben toegepast 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 attosecondelasers te verduidelijken en hun onconventionele eigenschappen ten opzichte van conventionele lasers te waarderen, is het noodzakelijk om hun categorisering binnen de bredere "laserfamilie" te onderzoeken. Classificatie op golflengte plaatst attosecondelasers voornamelijk in het bereik van ultraviolette tot zachte röntgenstraling, wat duidt op hun aanzienlijk kortere golflengten in vergelijking met conventionele lasers. Qua outputmodi vallen attosecondelasers onder de categorie gepulseerde lasers, die worden gekenmerkt door hun extreem korte pulsduur. Om een ​​vergelijking te maken voor de duidelijkheid: continugolflasers kunnen worden gezien als een zaklamp die een continue lichtbundel uitzendt, terwijl gepulseerde lasers lijken op een stroboscooplamp, die snel afwisselt tussen periodes van licht en duisternis. In wezen vertonen attosecondelasers een pulserend gedrag in de licht- en duisternisfase, maar hun overgang tussen beide toestanden vindt plaats met een verbazingwekkende frequentie, die het bereik van attoseconden bereikt.

Verdere categorisering op basis van vermogen plaatst lasers in de categorieën laag, middelhoog en hoog vermogen. Attosecondelasers 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 attosecondelaserpulsen mogelijk geen uitzonderlijk hoge energie (W) bezitten, zorgt hun verkorte tijdsbereik (t) ervoor dat ze een verhoogd piekvermogen hebben.

Wat betreft toepassingsgebieden bestrijken lasers een spectrum dat industriële, medische en wetenschappelijke toepassingen omvat. Attosecondelasers vinden hun niche voornamelijk binnen het domein van wetenschappelijk onderzoek, met name in de verkenning van snel evoluerende fenomenen binnen de domeinen van de natuurkunde en scheikunde, en bieden een kijkje in de snelle dynamische processen van de microkosmos.

De categorisering per lasermedium onderscheidt lasers als gaslasers, vastestoflasers, vloeistoflasers en halfgeleiderlasers. De ontwikkeling van attosecondelasers is doorgaans gebaseerd op gaslasermedia, waarbij gebruik wordt gemaakt van niet-lineaire optische effecten om hogere-orde harmonischen te genereren.

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

Het uitgebreide proces van attoseconde lasergeneratie

Attosecondelasertechnologie staat aan de voorhoede van wetenschappelijke innovatie en biedt een intrigerend strenge reeks voorwaarden voor het genereren ervan. Om de complexiteit van het genereren van attosecondelasers 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 complexiteit van de relevante natuurkunde hoeven niet te wanhopen, want de daaropvolgende metaforen zijn bedoeld om de fundamentele natuurkunde van attosecondelasers toegankelijk te maken.

Het generatieproces van attosecondelasers is voornamelijk gebaseerd op de techniek die bekend staat als High Harmonic Generation (HHG). Ten eerste wordt een bundel femtosecondelaserpulsen met hoge intensiteit (10^-15 seconden) strak gefocust op een gasvormig doelmateriaal. Het is vermeldenswaard dat femtosecondelasers, net als attosecondelasers, de kenmerken delen van een korte pulsduur en een 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 zich, waardoor nieuwe hoogenergetische toestanden 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 hoogharmonische emissies, die zich manifesteren als hoogenergetische fotonen.

De frequenties van deze nieuw gegenereerde hoogenergetische fotonen zijn gehele veelvouden van de oorspronkelijke laserfrequentie en vormen zogenaamde hoge-orde harmonischen, waarbij "harmonischen" frequenties aanduidt die gehele veelvouden zijn van de oorspronkelijke frequentie. Om attosecondelasers te verkrijgen, is het noodzakelijk om deze hoge-orde harmonischen te filteren en te focusseren, specifieke harmonischen te selecteren en deze in een brandpunt te concentreren. Indien gewenst kunnen pulscompressietechnieken de pulsduur verder verkorten, wat resulteert in ultrakorte pulsen in het attosecondebereik. Het genereren van attosecondelasers is uiteraard een geavanceerd en veelzijdig proces dat een hoge mate van technische vaardigheid en gespecialiseerde apparatuur vereist.

Om dit ingewikkelde proces te demystificeren, bieden we een metaforische parallel die gebaseerd is op alledaagse situaties:

Hoog-intensieve femtoseconde laserpulsen:

Stel je voor dat je over een uitzonderlijk krachtige katapult beschikt die in een oogwenk stenen met enorme snelheden kan wegslingeren, vergelijkbaar met de rol die femtoseconde laserpulsen met een hoge intensiteit vervullen.

Gasvormig doelmateriaal:

Stel je een kalm wateroppervlak voor dat symbool staat voor het gasvormige doelmateriaal, waarbij elke waterdruppel een ontelbaar aantal gasatomen vertegenwoordigt. Het in dit wateroppervlak werpen van stenen weerspiegelt analoog de impact van femtoseconde laserpulsen met hoge intensiteit op het gasvormige doelmateriaal.

Elektronenbeweging en -recombinatie (fysisch transitie genoemd):

Wanneer femtoseconde laserpulsen de gasatomen in het gasvormige doelmateriaal raken, wordt een aanzienlijk aantal buitenste elektronen kortstondig geëxciteerd tot een toestand waarin ze zich losmaken van hun respectievelijke atoomkernen, waardoor een plasma-achtige toestand ontstaat. Naarmate de energie van het systeem vervolgens afneemt (aangezien de laserpulsen inherent gepulst zijn, met pauzes), keren deze buitenste elektronen terug naar hun omgeving van de atoomkernen, waarbij hoogenergetische fotonen vrijkomen.

Hoge harmonische generatie:

Stel je voor dat elke keer dat een waterdruppel terugvalt naar het oppervlak van het meer, rimpelingen ontstaan, vergelijkbaar met hoge harmonischen in attosecondelasers. Deze rimpelingen hebben hogere frequenties en amplitudes dan de oorspronkelijke rimpelingen die door de primaire femtosecondelaserpuls worden veroorzaakt. Tijdens het HHG-proces verlicht een krachtige laserstraal, vergelijkbaar met het continu gooien van stenen, een gasdoel, vergelijkbaar met het oppervlak van het meer. Dit intense laserveld drijft elektronen in het gas, analoog aan rimpelingen, weg van hun oorspronkelijke atomen en trekt ze vervolgens terug. Elke keer dat een elektron terugkeert naar het atoom, zendt het een nieuwe laserstraal uit met een hogere frequentie, vergelijkbaar met complexere rimpelpatronen.

Filteren en focussen:

Door al deze nieuw gegenereerde laserstralen te combineren, ontstaat een spectrum van verschillende kleuren (frequenties of golflengtes), waarvan sommige de attosecondelaser vormen. Om specifieke rimpelgroottes en frequenties te isoleren, kunt u een speciaal filter gebruiken, vergelijkbaar met het selecteren van 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 een speciaal apparaat, waardoor de duur van elke rimpel wordt verkort. Het genereren van attosecondelasers omvat een complex samenspel van processen. Wanneer je het echter analyseert en visualiseert, wordt het begrijpelijker.