In een gedenkwaardige aankondiging op de avond van 3 oktober 2023 werd de Nobelprijs voor de Natuurkunde voor het jaar 2023 onthuld, waarmee de uitmuntende bijdragen werden erkend van drie wetenschappers die een cruciale rol hebben gespeeld als pioniers op het gebied van attoseconde-lasertechnologie.

De term 'attoseconde-laser' ontleent zijn naam aan de ongelooflijk korte tijdschaal waarop deze 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 het grootste belang. Een attoseconde is een buitengewoon kleine tijdseenheid en vormt een miljardste van een miljardste van een seconde 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 bevindt. 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 verwerven wetenschappers het ongekende vermogen om de ingewikkelde dynamiek van elektronen binnen atomaire structuren nauwkeurig te onderzoeken en te manipuleren, vergelijkbaar met een frame-voor-frame slow-motion herhaling in een filmische reeks, en zich daarbij te verdiepen in hun wisselwerking.

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

Om de aard van attosecondelasers te verduidelijken en hun onconventionele kenmerken in vergelijking met conventionele lasers te waarderen, is het absoluut noodzakelijk om hun categorisering binnen de bredere 'laserfamilie' te onderzoeken. Classificatie op golflengte plaatst attoseconde-lasers voornamelijk binnen het bereik van ultraviolette tot zachte röntgenfrequenties, wat hun aanzienlijk kortere golflengten betekent in tegenstelling tot conventionele lasers. In termen van uitgangsmodi vallen attoseconde-lasers onder de categorie gepulseerde lasers, gekenmerkt door hun buitengewoon korte pulsduur. Om voor de duidelijkheid een analogie te trekken: we kunnen continue golflasers voorstellen als een zaklamp die een continue lichtstraal uitzendt, terwijl gepulseerde lasers lijken op een stroboscooplicht, waarbij perioden van verlichting en duisternis snel worden afgewisseld. In wezen vertonen attoseconde-lasers een pulserend gedrag binnen de verlichting en duisternis, maar hun overgang tussen de twee toestanden vindt plaats met een verbazingwekkende frequentie en bereikt het rijk van attoseconden.

Verdere categorisering op basis van vermogen plaatst lasers in beugels met laag vermogen, gemiddeld vermogen en hoog vermogen. Attoseconde-lasers bereiken een hoog piekvermogen dankzij hun extreem korte pulsduur, wat resulteert in een uitgesproken piekvermogen (P) – gedefinieerd als de intensiteit van de energie per tijdseenheid (P=W/t). Hoewel individuele attoseconde-laserpulsen mogelijk geen uitzonderlijk grote energie (W) bezitten, verleent hun verkorte temporele omvang (t) hen een verhoogd piekvermogen.

In termen van toepassingsdomeinen bestrijken lasers een spectrum dat industriële, medische en wetenschappelijke toepassingen omvat. Attoseconde-lasers vinden hun plek voornamelijk binnen het domein van wetenschappelijk onderzoek, vooral in de verkenning van snel evoluerende verschijnselen binnen de domeinen van de natuurkunde en scheikunde, en bieden zo een venster op de snelle dynamische processen van de microkosmische wereld.

Categorisering op lasermedium omschrijft lasers als gaslasers, vastestoflasers, vloeistoflasers en halfgeleiderlasers. De generatie van attoseconde-lasers hangt doorgaans af van gaslasermedia, waarbij gebruik wordt gemaakt van niet-lineaire optische effecten om harmonischen van hoge orde te genereren.

Samenvattend vormen attosecondelasers een unieke klasse van kortepulslasers, die zich onderscheiden door hun buitengewoon korte pulsduur, doorgaans gemeten in attoseconden. Als gevolg hiervan zijn ze onmisbare hulpmiddelen geworden voor het observeren en controleren van de ultrasnelle dynamische processen van elektronen in atomen, moleculen en vaste materialen.

Het uitgebreide proces van Attosecond-lasergeneratie

Attosecond-lasertechnologie loopt voorop op het gebied van wetenschappelijke innovatie en beschikt over een intrigerend rigoureus geheel van voorwaarden voor het genereren 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 vertrouwd zijn met de fijne kneepjes van de relevante fysica hoeven niet te wanhopen, aangezien de daaropvolgende metaforen tot doel hebben de fundamentele fysica van attoseconde-lasers toegankelijk te maken.

Het generatieproces van attosecondelasers is voornamelijk afhankelijk van de techniek die bekend staat als High Harmonic Generation (HHG). Ten eerste wordt een straal femtoseconde (10^-15 seconden) laserpulsen met hoge intensiteit strak gefocusseerd op een gasvormig doelmateriaal. Het is vermeldenswaard dat femtoseconde-lasers, vergelijkbaar met attoseconde-lasers, de kenmerken delen van een korte pulsduur en een hoog piekvermogen. Onder invloed van het intense laserveld worden elektronen in de gasatomen tijdelijk bevrijd van hun atoomkernen, waardoor ze tijdelijk in een toestand van vrije elektronen terechtkomen. Terwijl deze elektronen oscilleren als reactie op het laserveld, keren ze uiteindelijk terug naar en recombineren ze met hun oorspronkelijke atoomkernen, waardoor nieuwe hoogenergetische toestanden ontstaan.

Tijdens dit proces bewegen elektronen met extreem hoge snelheden, en bij recombinatie met de atoomkernen geven ze 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 harmonischen van hoge orde, waarbij 'harmonischen' frequenties aanduidt die integrale veelvouden zijn van de oorspronkelijke frequentie. Om attoseconde-lasers te verkrijgen, wordt het noodzakelijk om deze harmonischen van hoge orde te filteren en te focusseren, door specifieke harmonischen te selecteren en deze in een brandpunt te concentreren. Indien gewenst kunnen pulscompressietechnieken de pulsduur verder verkorten, waardoor ultrakorte pulsen in het attosecondebereik ontstaan. Het is duidelijk dat het genereren van attoseconde-lasers een geavanceerd en veelzijdig proces is, dat een hoge mate van technische bekwaamheid en gespecialiseerde apparatuur vereist.

Om dit ingewikkelde proces te demystificeren, bieden we een metaforische parallel gebaseerd op alledaagse scenario’s:

Femtoseconde laserpulsen met hoge intensiteit:

Stel je voor dat je een uitzonderlijk krachtige katapult bezit die in staat is om onmiddellijk stenen met kolossale snelheden te slingeren, vergelijkbaar met de rol die wordt gespeeld door femtoseconde laserpulsen met hoge intensiteit.

Gasvormig doelmateriaal:

Stel je een rustige watermassa voor die het gasvormige doelmateriaal symboliseert, waarbij elke druppel water talloze gasatomen vertegenwoordigt. De handeling van het voortstuwen van stenen in dit waterlichaam weerspiegelt op analoge wijze de impact van femtoseconde laserpulsen met hoge intensiteit op het gasvormige doelmateriaal.

Elektronenbeweging en recombinatie (fysiek transitie genoemd):

Wanneer femtoseconde-laserpulsen de gasatomen in het gasvormige doelmateriaal treffen, wordt een aanzienlijk aantal buitenste elektronen tijdelijk geëxciteerd tot een toestand waarin ze zich losmaken van hun respectievelijke atoomkernen en een plasma-achtige toestand vormen. Naarmate de energie van het systeem vervolgens afneemt (aangezien de laserpulsen inherent gepulseerd zijn, met intervallen van stopzetting), 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, er rimpelingen ontstaan, vergelijkbaar met hoge harmonischen in attoseconde-lasers. Deze rimpelingen hebben hogere frequenties en amplitudes dan de oorspronkelijke rimpelingen veroorzaakt door de primaire femtoseconde laserpuls. Tijdens het HHG-proces verlicht een krachtige laserstraal, vergelijkbaar met het voortdurend gooien van stenen, een gasdoel, dat lijkt op het oppervlak van het meer. Dit intense laserveld stuwt elektronen in het gas, analoog aan rimpelingen, weg van hun ouderatomen 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 ingewikkeldere rimpelpatronen.

Filteren en scherpstellen:

Door al deze nieuw gegenereerde laserstralen te combineren, ontstaat een spectrum van verschillende kleuren (frequenties of golflengten), waarvan sommige de attosecondelaser vormen. Om specifieke rimpelgroottes en frequenties te isoleren, kunt u een gespecialiseerd filter gebruiken, vergelijkbaar met het selecteren van gewenste rimpelingen, en een vergrootglas gebruiken om ze op een specifiek gebied te concentreren.

Pulscompressie (indien nodig):

Als je rimpelingen sneller en korter wilt voortplanten, kun je hun voortplanting versnellen met behulp van een gespecialiseerd apparaat, waardoor de tijd dat elke rimpel duurt wordt verkort. Bij het genereren van attosecondelasers is sprake van een complex samenspel van processen. Wanneer het echter wordt opgesplitst en gevisualiseerd, wordt het begrijpelijker.