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

De term "Attosecond Laser" ontleent zijn naam aan de ongelooflijk korte tijdschema waarop het werkt, met name in de volgorde van attoseconden, overeenkomend met 10^-18 seconden. Om de diepgaande betekenis van deze technologie te begrijpen, is een fundamenteel begrip van wat een attoseconde betekent voorop. Een attoseconde staat als een buitengewoon minuscule 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 verwant zijn aan een enkele korrel zand genesteld op de basis van de berg. In dit vluchtige tijdsinterval kan zelfs licht nauwelijks een afstand doorkruisen die equivalent is aan de grootte van een individueel atoom. Door het gebruik van attoseconde lasers krijgen wetenschappers de ongekende mogelijkheid om de ingewikkelde dynamiek van elektronen in atomaire structuren te onderzoeken en te manipuleren, verwant aan een frame-voor-frame slow-motion herhaling in een filmische sequentie, waardoor ze zich verdiepen in hun interplay.

Attoseconde lasersvertegenwoordigen het hoogtepunt van uitgebreid onderzoek en gezamenlijke inspanningen van wetenschappers, die de principes van niet -lineaire optica hebben benut om ultrasnelle lasers te maken. Hun komst heeft ons een innovatief uitkijkpunt voorgeleverd 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 op te helderen en hun onconventionele attributen te waarderen in vergelijking met conventionele lasers, is het noodzakelijk om hun categorisatie binnen de bredere "laserfamilie" te verkennen. Classificatie per golflengte plaatst Attoseconde Lasers voornamelijk binnen het bereik van ultraviolet tot zachte röntgenfrequenties, wat hun opmerkelijk kortere golflengten betekent in tegenstelling tot conventionele lasers. In termen van uitvoermodi vallen attoseconde lasers onder de categorie gepulseerde lasers, gekenmerkt door hun buitengewoon korte pulsduur. Om een ​​analogie voor de duidelijkheid te trekken, kan men de lasers van continu golf voorstellen als verwant aan een zaklamp die een continue lichtstraal uitzendt, terwijl gepulseerde lasers lijken op een stroboscooplicht, snel afwisselend tussen verlichting en duisternis. In essentie vertonen attoseconde lasers een pulserend gedrag binnen de verlichting en duisternis, maar hun overgang tussen de twee staten treft op een verbazingwekkende frequentie en bereikt het rijk van attoseconden.

Verdere categorisatie door kracht plaatst lasers in low-power, medium-power en krachtige beugels. Attoseconde lasers bereiken een hoog piekvermogen vanwege hun extreem korte pulsduur, wat resulteert in een uitgesproken piekvermogen (P) - gedefinieerd als de intensiteit van energie per eenheidstijd (P = W/T). Hoewel individuele attoseconde laserpulsen mogelijk geen uitzonderlijk grote energie (W) bezitten, geeft hun verkorte tijdelijke omvang (t) ze met een verhoogd piekvermogen.

Wat de toepassingsdomeinen betreft, omvatten lasers een spectrum dat industriële, medische en wetenschappelijke toepassingen omvat. Attoseconde -lasers vinden voornamelijk hun niche binnen het rijk van wetenschappelijk onderzoek, met name bij het verkennen van snel evoluerende fenomenen binnen de domeinen van fysica en chemie, en biedt een venster op de snelle dynamische processen van de microkosmische wereld.

Categorisatie door lasermedium schetst lasers als gaslasers, lasers vaste toestand, vloeibare lasers en halfgeleiderlasers. Het genereren van attoseconde-lasers hangt meestal af van gaslaser media, waardoor het gebruik is van niet-lineaire optische effecten om harmonischen van hoge orde te veroorzaken.

Samenvattend vormen attoseconde-lasers een unieke klasse van korte pulslasers, onderscheiden door hun buitengewoon korte pulsduur, meestal gemeten in attoseconden. Als gevolg hiervan zijn ze onmisbare hulpmiddelen geworden voor het observeren en regelen van de ultrasnelle dynamische processen van elektronen in atomen, moleculen en vaste materialen.

Het uitgebreide proces van attoseconde lasergeneratie

Attosecond Laser Technology staat voorop in wetenschappelijke innovatie, met een intrigerend rigoureuze set van voorwaarden voor zijn generatie. Om de ingewikkeldheden van attoseconde lasergeneratie op te helderen, beginnen we met een beknopte uiteenzetting van zijn onderliggende principes, gevolgd door levendige metaforen afgeleid van dagelijkse ervaringen. Lezers die niet worden opgelegd in de fijne kneepjes van de relevante fysica hoeven niet te wanhopen, omdat de daaropvolgende metaforen de fundamentele fysica van attoseconde lasers toegankelijk maken.

Het generatieproces van attoseconde -lasers is voornamelijk gebaseerd op de techniek die bekend staat als hoge harmonische generatie (HHG). Ten eerste is een straal van hoge intensiteit femtoseconde (10^-15 seconden) laserpulsen strak gefocust op een gasvormig doelmateriaal. Het is vermeldenswaard dat femtoseconde lasers, verwant aan attoseconde -lasers, de kenmerken delen van het bezitten van korte pulsduur en een hoog piekvermogen. Onder invloed van het intense laserveld worden elektronen in de gasatomen even bevrijd van hun atoomkernen, die tijdelijk een toestand van vrije elektronen betreden. Terwijl deze elektronen oscilleren in reactie op het laserveld, keren ze uiteindelijk terug naar en recombineren ze met hun ouderatomaire kernen, waardoor nieuwe energieke toestanden ontstaan.

Tijdens dit proces bewegen elektronen met extreem hoge snelheden, en bij recombinatie met de atoomkernen, geven ze extra energie af in de vorm van hoge harmonische emissies, die zich manifesteren als hoge energie-fotonen.

De frequenties van deze nieuw gegenereerde energierijke fotonen zijn gehele veelvouden van de oorspronkelijke laserfrequentie, die vormen wat een hoge-orde harmonischen wordt genoemd, waarbij "harmonischen" frequenties aangeeft die integrale veelvouden van de oorspronkelijke frequentie zijn. Om attoseconde lasers te bereiken, wordt het noodzakelijk om deze harmonischen van hoge orde te filteren en te focussen, specifieke harmonischen te selecteren en te concentreren in een brandpunt. Indien gewenst, kunnen pulscompressietechnieken de pulsduur verder afkorten, waardoor ultra-korte pulsen in het attoseconde bereik worden opgeleverd. Het is duidelijk dat het genereren van attoseconde lasers een geavanceerd en veelzijdig proces vormt, wat een hoge mate van technische bekwaamheid en gespecialiseerde apparatuur eist.

Om dit ingewikkelde proces te demystificeren, bieden we een metaforisch parallel gebaseerd in dagelijkse scenario's:

Femtoseconde laserpulsen met hoge intensiteit:

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

Gasedin doelmateriaal:

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

Elektronenbeweging en recombinatie (fysiek genoemd overgang):

Wanneer femtoseconde laserpulsen invloed hebben op de gasatomen in het gasvormige doelmateriaal, worden een aanzienlijk aantal buitenste elektronen tijdelijk opgewonden naar een toestand waar ze losmaken van hun respectieve atoomkernen, die een plasmaachtige toestand vormen. Naarmate de energie van het systeem vervolgens afneemt (omdat de laserpulsen inherent gepulseerd zijn, met intervallen van stopzetting), keren deze buitenste elektronen terug naar hun buurt van de atomaire kernen, waardoor hoge energie-fotonen vrijgeven.

Hoge harmonische generatie:

Stel je voor dat elke keer dat een waterdruppel terugvalt naar het oppervlak van het meer, het rimpelingen creëert, net als 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, verwant aan continu gooiende stenen, een gasdoel, die 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, straalt het een nieuwe laserstraal uit met een hogere frequentie, verwant aan meer ingewikkelde rimpelpatronen.

Filteren en focussen:

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

Pulscompressie (indien nodig):

Als u ernaar streeft om rimpelingen sneller en korter te verspreiden, kunt u hun verspreiding versnellen met behulp van een gespecialiseerd apparaat, waardoor de tijd wordt verminderd die elke rimpel duurt. Het genereren van attoseconde -lasers omvat een complex samenspel van processen. Wanneer het echter wordt afgebroken en gevisualiseerd, wordt het begrijpelijker.