Într -un anunț de moment în seara zilei de 3 octombrie 2023, Premiul Nobel pentru fizică pentru anul 2023 a fost dezvăluit, recunoscând contribuțiile deosebite ale trei oameni de știință care au jucat roluri pivotante ca pionieri pe tărâmul tehnologiei cu laser Attosecunnd.

Termenul „Laser ATOSECOND” își derivă numele din intervalul de timp incredibil de scurt pe care îl operează, în special în ordinea atosecundelor, corespunzând la 10^-18 secunde. Pentru a înțelege semnificația profundă a acestei tehnologii, o înțelegere fundamentală a ceea ce semnifică un ATOSECOND este esențială. O atosecundă reprezintă o unitate de timp extrem de minute, constituind un miliard de miliard de secundă în contextul mai larg al unei secunde. Pentru a pune acest lucru în perspectivă, dacă ar fi să asemănăm o secundă cu un munte falnic, o atosecundă ar fi asemănătoare cu un singur bob de nisip amplasat la baza muntelui. În acest interval temporal trecător, chiar și lumina abia poate traversa o distanță echivalentă cu dimensiunea unui atom individual. Prin utilizarea laserelor de atosecundă, oamenii de știință câștigă capacitatea fără precedent de a examina și manipula dinamica complexă a electronilor în structurile atomice, asemănător cu o redare cu mișcare lentă de cadru într-o secvență cinematografică, delictându-se astfel în integrarea lor.

Laserele ATOSECONDReprezentați punctul culminant al cercetărilor ample și al eforturilor concertate ale oamenilor de știință, care au exploatat principiile opticii neliniare pentru a crea lasere ultrarapate. Adenția lor ne -a furnizat un punct de vedere inovator pentru observarea și explorarea proceselor dinamice care se transpiră în atomi, molecule și chiar electroni în materiale solide.

Pentru a elucida natura laserelor Attosecund și pentru a aprecia atributele lor neconvenționale în comparație cu laserele convenționale, este imperativ să explorăm clasificarea lor în cadrul „familiei laser” mai largi. Clasificarea după lungimea de undă plasează lasere atosecunde predominant în intervalul ultraviolete până la frecvențele de raze X moi, ceea ce semnifică lungimile lor de undă în special mai scurte, în contrast cu laserele convenționale. În ceea ce privește modurile de ieșire, laserele atosecunde se încadrează în categoria laserelor pulsate, caracterizate prin duratele lor de impuls extrem de scurte. Pentru a desena o analogie pentru claritate, se poate preconiza lasere cu undă continuă ca asemănător cu o lanternă care emite un fascicul continuu de lumină, în timp ce laserele pulsate seamănă cu o lumină stroboscopică, alternând rapid între perioadele de iluminare și întuneric. În esență, laserele atosecunde prezintă un comportament pulsant în cadrul iluminării și întunericului, cu toate acestea, tranziția lor între cele două state se deplasează la o frecvență uimitoare, ajungând pe tărâmul atosecundelor.

Clasificarea ulterioară a puterii plasează lasere în paranteze cu putere redusă, medie și cu putere mare. Laserele de atosecundă obțin o putere maximă ridicată datorită duratelor lor de impuls extrem de scurte, ceea ce duce la o putere de vârf pronunțată (P) - definită ca intensitatea energiei pe unitatea de timp (p = w/t). Deși impulsurile cu laser individual de atrosecundă pot să nu posede o energie excepțional de mare (W), întinderea lor temporală prescurtată (T) le transmite o putere maximă ridicată.

În ceea ce privește domeniile de aplicație, laserele acoperă un spectru care cuprinde aplicații industriale, medicale și științifice. Laserele Attosecund își găsesc în primul rând nișa pe tărâmul cercetării științifice, în special în explorarea fenomenelor în evoluție rapidă în domeniile fizicii și chimiei, oferind o fereastră în procesele dinamice rapide ale lumii microcosmice.

Categorizarea în funcție de mediu cu laser delimitează lasere ca lasere cu gaz, lasere în stare solidă, lasere lichide și lasere semiconductoare. Generarea de lasere atosecunde se bazează de obicei pe media laser cu gaz, valorificând efectele optice neliniare pentru a genera armonice de înaltă calitate.

În rezumat, laserele ATOSECOND constituie o clasă unică de lasere cu impuls scurt, distinsă prin durata lor extraordinar de scurtă a pulsului, măsurate de obicei în atosecunde. Drept urmare, acestea au devenit instrumente indispensabile pentru observarea și controlul proceselor dinamice ultraramice ale electronilor în atomi, molecule și materiale solide.

Procesul elaborat de generare laser ATOSECOND

Tehnologia cu laser ATOSECOND se află în fruntea inovației științifice, lăudându -se într -un set intrigant de riguros de condiții pentru generarea sa. Pentru a elucida complexitatea generației cu laser Attosecund, începem cu o expunere concisă a principiilor sale de bază, urmată de metafore vii derivate din experiențele de zi cu zi. Cititorii neîngrădați în complexitatea fizicii relevante nu trebuie să fie disperate, deoarece metaforele care urmează urmăresc să facă accesibilă fizica fundamentală a laserelor ATOSECOND.

Procesul de generare a laserelor de atosecundă se bazează în primul rând pe tehnica cunoscută sub numele de generație armonică ridicată (HHG). În primul rând, un fascicul de impulsuri cu laser de înaltă intensitate (10^-15 secunde) este strâns concentrat pe un material țintă gazoasă. Este demn de remarcat faptul că laserele femtosecunde, asemănătoare cu laserele ATOSECOND, împărtășesc caracteristicile de a deține durate scurte ale pulsului și putere ridicată de vârf. Sub influența câmpului cu laser intens, electronii din atomii de gaz sunt eliberați momentan de nucleele lor atomice, intrând tranzitoriu într -o stare de electroni liberi. Pe măsură ce acești electroni oscilează ca răspuns la câmpul laser, în cele din urmă se întorc și se recombină cu nucleele atomice părinte, creând noi stări cu energie mare.

În timpul acestui proces, electronii se deplasează la viteze extrem de mari, iar la recombinarea cu nucleele atomice, ei eliberează energie suplimentară sub formă de emisii armonice ridicate, manifestându-se ca fotoni cu energie mare.

Frecvențele acestor fotoni cu energie mare generată sunt multipli întregi ai frecvenței laser originale, formând ceea ce se numește armonice de înaltă ordine, unde „armonicele” denotă frecvențe care sunt multipli integrali ai frecvenței inițiale. Pentru a atinge laserele ATSOSECOND, devine necesar să filtrați și să focalizați aceste armonice de înaltă ordine, selectând armonice specifice și concentrându-le într-un punct focal. Dacă se dorește, tehnicile de compresie a pulsului pot prescurta și mai mult durata pulsului, obținând impulsuri ultra-scurte în intervalul ATOSECOND. În mod evident, generarea de lasere atosecunde constituie un proces sofisticat și multifacet, cerând un grad ridicat de pricepere tehnică și echipamente specializate.

Pentru a demitifica acest proces complex, oferim o paralelă metaforică întemeiată în scenarii de zi cu zi:

Impulsuri laser femtosecunde de înaltă intensitate:

Envision care deține o catapultă excepțional de puternică capabilă să arunce în mod instantaneu pietre la viteze colosale, asemănător cu rolul jucat de impulsurile laser femtosecunde de înaltă intensitate.

Material țintă gazos:

Imaginează un corp de apă liniștit care simbolizează materialul țintă gazous, unde fiecare picătură de apă reprezintă atomi de gaz numeroase. Actul de propulsare a pietrelor în acest corp de apă reflectă analog impactul impulsurilor laser femtosecunde de înaltă intensitate asupra materialului țintă gazoasă.

Mișcare și recombinare a electronilor (tranziție fizică):

Atunci când impulsurile laser femtosecunde au impact asupra atomilor de gaz din materialul țintă gazoasă, un număr semnificativ de electroni exteriori sunt încântați momentan de o stare în care se detașează de nucleele atomice respective, formând o stare asemănătoare cu plasmă. Pe măsură ce energia sistemului se diminuează ulterior (din moment ce impulsurile laser sunt pulsate în mod inerent, cu intervale de încetare), acești electroni exteriori revin la vecinătatea lor de nucleele atomice, eliberând fotoni cu energie mare.

Generație armonică ridicată:

Imaginați -vă de fiecare dată când o picătură de apă se întoarce pe suprafața lacului, creează ondulări, la fel ca armonice ridicate în laserele ATOSECOND. Aceste ondulări au frecvențe și amplitudini mai mari decât ondulările originale cauzate de pulsul laser femtosecund primar. În timpul procesului HHG, un fascicul laser puternic, asemănător cu aruncarea continuă a pietrelor, luminează o țintă de gaz, asemănătoare cu suprafața lacului. Acest câmp cu laser intens propulsează electronii în gaz, analog cu ondulări, departe de atomii părinților lor și apoi îi trage înapoi. De fiecare dată când un electron revine la atom, emite un nou fascicul laser cu o frecvență mai mare, asemănător cu modelele de ondulare mai complexe.

Filtrare și focalizare:

Combinarea tuturor acestor fascicule laser nou generate produce un spectru de diferite culori (frecvențe sau lungimi de undă), unele dintre ele constituie laserul ATOSECOND. Pentru a izola dimensiunile și frecvențele specifice ondulării, puteți utiliza un filtru specializat, asemănător cu selectarea ondulărilor dorite și puteți folosi o lupă pentru a le concentra pe o anumită zonă.

Compresia pulsului (dacă este necesar):

Dacă vă propuneți să propagați ondulările mai repede și mai scurt, puteți accelera propagarea lor folosind un dispozitiv specializat, reducând timpul să dureze fiecare ondulare. Generarea de lasere atosecunde implică o interacțiune complexă a proceselor. Cu toate acestea, atunci când este defalcat și vizualizat, devine mai inteligibil.