Într-un anunț memorabil, făcut în seara zilei de 3 octombrie 2023, a fost dezvăluit Premiul Nobel pentru Fizică pentru anul 2023, recunoscând contribuțiile remarcabile a trei oameni de știință care au jucat roluri esențiale ca pionieri în domeniul tehnologiei laserului cu atosecundă.

Termenul „laser cu atosecunde” își derivă numele de la intervalul de timp incredibil de scurt pe care funcționează, mai exact de ordinul atosecundelor, corespunzând la 10^-18 secunde. Pentru a înțelege semnificația profundă a acestei tehnologii, este esențială o înțelegere fundamentală a ceea ce semnifică o atosecundă. O atosecundă reprezintă o unitate de timp extrem de mică, constituind o miliardime de miliardime de secundă în contextul mai larg al unei singure secunde. Pentru a pune acest lucru în perspectivă, dacă am compara o secundă cu un munte impunător, o atosecundă ar fi similară cu un singur fir de nisip cuibărit la baza muntelui. În acest interval temporal trecător, chiar și lumina abia poate parcurge o distanță echivalentă cu dimensiunea unui atom individual. Prin utilizarea laserelor cu atosecunde, oamenii de știință dobândesc capacitatea fără precedent de a examina și manipula dinamica complexă a electronilor din structurile atomice, similară unei reluări slow-motion cadru cu cadru într-o secvență cinematografică, aprofundând astfel interacțiunea lor.

Lasere cu atosecundereprezintă punctul culminant al unor cercetări ample și al eforturilor concertate ale oamenilor de știință, care au valorificat principiile opticii neliniare pentru a crea lasere ultrarapide. Apariția lor ne-a oferit un punct de observare inovator pentru observarea și explorarea proceselor dinamice care au loc în atomii, moleculele și chiar electronii din materialele solide.

Pentru a elucida natura laserelor cu atosecundă și a aprecia atributele lor neconvenționale în comparație cu laserele convenționale, este imperativ să explorăm clasificarea lor în cadrul „familia” mai largă a laserelor. Clasificarea după lungimea de undă plasează laserele cu atosecundă predominant în intervalul de frecvențe de la ultraviolete la raze X moi, ceea ce semnifică lungimile lor de undă semnificativ mai scurte în contrast cu laserele convenționale. În ceea ce privește modurile de ieșire, laserele cu atosecundă se încadrează în categoria laserelor pulsate, caracterizate prin duratele lor extrem de scurte ale impulsurilor. Pentru a face o analogie pentru claritate, ne putem imagina laserele cu undă continuă ca fiind similare 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 cu atosecundă prezintă un comportament pulsatoriu în cadrul iluminării și întunericului, însă tranziția lor între cele două stări are loc la o frecvență uimitoare, ajungând la nivelul atosecundelor.

O clasificare ulterioară după putere plasează laserele în categorii de putere mică, putere medie și putere mare. Laserele cu atosecundă ating o putere de vârf ridicată datorită duratei extrem de scurte a impulsurilor, rezultând o putere de vârf (P) pronunțată - definită ca intensitatea energiei pe unitatea de timp (P = W/t). Deși impulsurile laser individuale cu atosecundă pot să nu posede o energie (W) excepțional de mare, extinderea lor temporală scurtată (t) le conferă o putere de vârf ridicată.

În ceea ce privește domeniile de aplicare, laserele acoperă un spectru care cuprinde aplicații industriale, medicale și științifice. Laserele cu atosecunde își găsesc nișa în principal în domeniul cercetării științifice, în special în explorarea fenomenelor în rapidă evoluție din domeniile fizicii și chimiei, oferind o fereastră către procesele dinamice rapide ale lumii microcosmice.

Clasificarea în funcție de mediul laser definește laserele ca lasere cu gaz, lasere în stare solidă, lasere lichide și lasere semiconductoare. Generarea laserelor cu atosecundă se bazează de obicei pe medii laser cu gaz, valorificând efectele optice neliniare pentru a genera armonici de ordin superior.

În concluzie, laserele atosecunde constituie o clasă unică de lasere cu impulsuri scurte, care se disting prin duratele extraordinar de scurte ale impulsurilor, de obicei măsurate în atosecunde. Drept urmare, acestea au devenit instrumente indispensabile pentru observarea și controlul proceselor dinamice ultrarapide ale electronilor din atomi, molecule și materiale solide.

Procesul elaborat de generare a laserului cu atosecunde

Tehnologia laserelor cu atosecundă se află în avangarda inovației științifice, lăudându-se cu un set intrigant de riguros de condiții pentru generarea sa. Pentru a elucida complexitatea generării laserelor cu atosecundă, începem cu o expunere concisă a principiilor sale fundamentale, urmată de metafore vii derivate din experiențele de zi cu zi. Cititorii neexperimentați în complexitatea fizicii relevante nu trebuie să dispere, deoarece metaforele care urmează își propun să facă accesibilă fizica fundamentală a laserelor cu atosecundă.

Procesul de generare a laserelor atosecunde se bazează în principal pe tehnica cunoscută sub numele de Generare de Armonice Înalte (HHG). În primul rând, un fascicul de impulsuri laser femtosecunde de mare intensitate (10^-15 secunde) este focalizat strâns pe un material țintă gazos. Este demn de remarcat faptul că laserele femtosecunde, similare laserelor atosecunde, au caracteristicile de a poseda durate scurte ale impulsurilor și putere de vârf mare. Sub influența câmpului laser intens, electronii din atomii de gaz sunt eliberați momentan din 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 lor atomice inițiale, creând noi stări de înaltă energie.

În timpul acestui proces, electronii se mișcă la viteze extrem de mari și, la recombinarea cu nucleii atomici, eliberează energie suplimentară sub formă de emisii armonice înalte, manifestându-se ca fotoni de înaltă energie.

Frecvențele acestor fotoni de înaltă energie nou generați sunt multipli întregi ai frecvenței laserului original, formând ceea ce se numește armonici de ordin superior, unde „armonicele” denotă frecvențe care sunt multipli integrali ai frecvenței originale. Pentru a obține lasere atosecunde, devine necesar să se filtreze și să se focalizeze aceste armonici de ordin superior, selectând armonici specifice și concentrându-le într-un punct focal. Dacă se dorește, tehnicile de compresie a impulsurilor pot scurta și mai mult durata impulsului, rezultând impulsuri ultrascurte în domeniul atosecundelor. Evident, generarea de lasere atosecunde constituie un proces sofisticat și multifațetat, care necesită un grad ridicat de pricepere tehnică și echipamente specializate.

Pentru a demistifica acest proces complex, oferim o paralelă metaforică, bazată pe scenarii cotidiene:

Impulsuri laser femtosecunde de mare intensitate:

Imaginează-ți că posezi o catapultă excepțional de puternică, capabilă să arunce instantaneu pietre la viteze colosale, similar cu rolul jucat de impulsurile laser femtosecunde de mare intensitate.

Material țintă gazos:

Imaginați-vă o întindere liniștită de apă care simbolizează materialul țintă gazos, unde fiecare picătură de apă reprezintă o multitudine de atomi de gaz. Actul de propulsare a pietrelor în această întindere de apă reflectă analog impactul impulsurilor laser femtosecunde de mare intensitate asupra materialului țintă gazos.

Mișcarea și recombinarea electronilor (denumită fizic tranziție):

Când impulsurile laser de femtosecundă lovesc atomii de gaz din materialul țintă gazos, un număr semnificativ de electroni exteriori sunt excitați momentan într-o stare în care se desprind de nucleii atomici respectivi, formând o stare asemănătoare plasmei. Pe măsură ce energia sistemului scade ulterior (deoarece impulsurile laser sunt inerent pulsate, prezentând intervale de încetare), acești electroni exteriori se întorc în vecinătatea nucleilor atomici, eliberând fotoni de înaltă energie.

Generare de armonici înalte:

Imaginați-vă că de fiecare dată când o picătură de apă cade înapoi la suprafața lacului, aceasta creează ondulații, similare armonicilor înalte din laserele atosecunde. Aceste ondulații au frecvențe și amplitudini mai mari decât ondulațiile originale cauzate de pulsul laser femtosecundă primar. În timpul procesului HHG, un fascicul laser puternic, similar aruncării continue a pietrelor, iluminează o țintă de gaz, asemănătoare suprafeței lacului. Acest câmp laser intens propulsează electronii din gaz, analog ondulațiilor, departe de atomii lor părinți și apoi îi trage înapoi. De fiecare dată când un electron se întoarce la atom, acesta emite un nou fascicul laser cu o frecvență mai mare, similar cu modele de ondulații mai complexe.

Filtrare și focalizare:

Combinând toate aceste fascicule laser nou generate, se obține un spectru de diferite culori (frecvențe sau lungimi de undă), dintre care unele constituie laserul de atosecundă. Pentru a izola dimensiuni și frecvențe specifice ale ondulațiilor, puteți utiliza un filtru specializat, similar selecției ondulațiilor dorite, și puteți folosi o lupă pentru a le focaliza pe o anumită zonă.

Compresia pulsului (dacă este necesar):

Dacă doriți să propagați ondulațiile mai rapid și mai scurt, puteți accelera propagarea lor folosind un dispozitiv specializat, reducând durata fiecărei ondulații. Generarea laserelor cu atosecunde implică o interacțiune complexă de procese. Cu toate acestea, atunci când este defalcată și vizualizată, devine mai ușor de înțeles.