2023 m. spalio 3 d. vakare paskelbtame svarbiame pranešime buvo pristatyta 2023 m. Nobelio fizikos premija, pagerbiant išskirtinį trijų mokslininkų, atlikusių lemiamą vaidmenį kaip atosekundinių lazerių technologijos pradininkų, indėlį.

Terminas „atosekundinis lazeris“ kilęs iš neįtikėtinai trumpo laiko intervalo, kuriame jis veikia – atosekundžių eilės, atitinkančio 10^-18 sekundžių. Norint suprasti gilią šios technologijos reikšmę, labai svarbu iš esmės suprasti, ką reiškia atosekundė. Atosekundė yra itin trumpas laiko vienetas, sudarantis vieną milijardinę milijardinę sekundės dalį platesniame vienos sekundės kontekste. Kad būtų aiškiau, jei sekundę palygintume su didžiuliu kalnu, atosekundė būtų panaši į vieną smėlio grūdelį, įsitaisiusį kalno papėdėje. Per šį trumpą laiko intervalą net šviesa vos gali įveikti atstumą, lygų atskiro atomo dydžiui. Naudodami atosekundinius lazerius, mokslininkai įgyja precedento neturintį gebėjimą atidžiai tyrinėti ir manipuliuoti sudėtinga elektronų dinamika atominėse struktūrose, tarsi sulėtintai peržiūrint kadrą po kadro kinematografinėje sekoje, taip pasinerdami į jų sąveiką.

Attosekundiniai lazeriaiyra mokslininkų, pritaikiusių netiesinės optikos principus itin greitiems lazeriams sukurti, išsamių tyrimų ir suderintų pastangų kulminacija. Jų atsiradimas suteikė mums novatorišką požiūrį stebėti ir tyrinėti dinaminius procesus, vykstančius atomuose, molekulėse ir net elektronuose kietose medžiagose.

Norint išsiaiškinti atosekundinių lazerių prigimtį ir įvertinti jų netradicines savybes, palyginti su įprastiniais lazeriais, būtina išnagrinėti jų priskyrimą platesnei „lazerių šeimai“. Klasifikacija pagal bangos ilgį atosekundinius lazerius daugiausia priskiria ultravioletinių ir švelnių rentgeno spindulių dažnių diapazonui, o tai reiškia, kad jų bangos ilgiai yra žymiai trumpesni, palyginti su įprastiniais lazeriais. Kalbant apie išėjimo režimus, atosekundiniai lazeriai priskiriami impulsinių lazerių kategorijai, kuriai būdinga itin trumpa impulsų trukmė. Siekiant aiškumo, galima įsivaizduoti nuolatinės bangos lazerius kaip žibintuvėlį, skleidžiantį nepertraukiamą šviesos spindulį, o impulsiniai lazeriai primena stroboskopinę šviesą, greitai kaitaliojančią apšvietimo ir tamsos periodus. Iš esmės atosekundiniai lazeriai pulsuoja apšvietimo ir tamsos metu, tačiau jų perėjimas tarp šių dviejų būsenų vyksta neįtikėtinu dažniu, pasiekdamas atosekundžių sritį.

Tolesnė klasifikacija pagal galią lazerius suskirsto į mažos, vidutinės ir didelės galios grupes. Atosekundiniai lazeriai pasiekia didelę maksimalią galią dėl itin trumpos impulsų trukmės, todėl jų maksimali galia (P) – apibrėžiama kaip energijos intensyvumas per laiko vienetą (P = W/t) – yra ryški. Nors atskiri atosekundiniai lazerio impulsai gali neturėti išskirtinai didelės energijos (W), jų sutrumpinta laiko trukmė (t) suteikia jiems didesnę maksimalią galią.

Kalbant apie taikymo sritis, lazeriai apima platų spektrą – pramoninį, medicininį ir mokslinį pritaikymą. Atosekundiniai lazeriai pirmiausia randa savo nišą mokslinių tyrimų srityje, ypač tiriant sparčiai besivystančius reiškinius fizikos ir chemijos srityse, atverdami langą į greitus mikrokosminio pasaulio dinaminius procesus.

Pagal lazerio terpę lazeriai skirstomi į dujų lazerius, kietojo kūno lazerius, skysčių lazerius ir puslaidininkinius lazerius. Atosekundinių lazerių generavimas paprastai priklauso nuo dujų lazerio terpės, išnaudojant netiesinius optinius efektus, kad būtų sukurtos aukštos eilės harmonikos.

Apibendrinant, atosekundiniai lazeriai sudaro unikalią trumpų impulsų lazerių klasę, pasižyminčią nepaprastai trumpa impulsų trukme, paprastai matuojama atosekundėmis. Dėl to jie tapo nepakeičiamais įrankiais stebint ir valdant itin greitus elektronų dinaminius procesus atomuose, molekulėse ir kietose medžiagose.

Sudėtingas atosekundinio lazerio generavimo procesas

Atosekundinio lazerio technologija yra mokslinių inovacijų priešakyje, galinti pasigirti intriguojančiai griežtomis sąlygomis jos generavimui. Norėdami išsiaiškinti atosekundinio lazerio generavimo subtilybes, pradedame nuo glausto pagrindinių principų išdėstymo, o po to pateikiame ryškias metaforas, kilusias iš kasdienės patirties. Skaitytojams, kurie nėra susipažinę su atitinkamos fizikos subtilybėmis, nereikia nusiminti, nes pateiktos metaforos siekia padaryti atosekundinio lazerio fizikos pagrindus suprantamus.

Atosekundinių lazerių generavimo procesas daugiausia remiasi technika, žinoma kaip didelės harmonikos generavimas (HHG). Pirma, didelio intensyvumo femtosekundinių (10^–15 sekundžių) lazerio impulsų spindulys yra glaudžiai sufokusuotas į dujinę taikinio medžiagą. Verta paminėti, kad femtosekundiniai lazeriai, panašūs į atosekundinius lazerius, pasižymi trumpa impulsų trukme ir didele maksimalia galia. Veikiant intensyviam lazerio laukui, dujų atomuose esantys elektronai trumpam išsilaisvina iš savo atomų branduolių ir laikinai pereina į laisvųjų elektronų būseną. Šiems elektronams virpant reaguojant į lazerio lauką, jie galiausiai grįžta į savo pirminius atomų branduolius ir su jais susijungia, sukurdami naujas didelės energijos būsenas.

Šio proceso metu elektronai juda itin dideliu greičiu ir, rekombinuodamiesi su atomo branduoliu, išskiria papildomą energiją aukštų harmonikų emisijų pavidalu, pasireiškiančia didelės energijos fotonais.

Šių naujai sugeneruotų didelės energijos fotonų dažniai yra sveikieji pradinio lazerio dažnio kartotiniai, sudarantys tai, kas vadinama aukštos eilės harmonikomis, kur „harmonika“ reiškia dažnius, kurie yra sveikieji pradinio dažnio kartotiniai. Norint gauti atosekundinius lazerius, būtina filtruoti ir sufokusuoti šias aukštos eilės harmonikas, pasirenkant konkrečias harmonikas ir sutelkiant jas į židinio tašką. Jei pageidaujama, impulsų suspaudimo metodai gali dar labiau sutrumpinti impulso trukmę, gaunant itin trumpus impulsus atosekundiniame diapazone. Akivaizdu, kad atosekundinių lazerių generavimas yra sudėtingas ir daugialypis procesas, reikalaujantis aukšto techninio meistriškumo ir specializuotos įrangos.

Norėdami išsklaidyti šio sudėtingo proceso paslaptį, pateikiame metaforinę paralelę, pagrįstą kasdieniais scenarijais:

Didelio intensyvumo femtosekundiniai lazerio impulsai:

Įsivaizduokite turintį išskirtinai galingą katapultą, galinčią akimirksniu sviesti akmenis milžinišku greičiu, panašiai kaip tai atlieka didelio intensyvumo femtosekundiniai lazerio impulsai.

Dujinė tikslinė medžiaga:

Įsivaizduokite ramų vandens telkinį, simbolizuojantį dujinę tikslinę medžiagą, kur kiekvienas vandens lašelis simbolizuoja daugybę dujų atomų. Akmenų stūmimo į šį vandens telkinį veiksmas analogiškai atspindi didelio intensyvumo femtosekundinių lazerio impulsų poveikį dujinei tikslinei medžiagai.

Elektronų judėjimas ir rekombinacija (fiziškai vadinamas perėjimu):

Kai femtosekundiniai lazerio impulsai veikia dujų atomus dujinėje taikinio medžiagoje, nemažas skaičius išorinių elektronų akimirksniu sužadinami iki būsenos, kurioje jie atsiskiria nuo atitinkamų atomų branduolių ir sudaro plazmos būseną. Sistemos energijai mažėjant (kadangi lazerio impulsai iš esmės yra pulsuojantys, su pertraukomis), šie išoriniai elektronai grįžta į atomų branduolių apylinkes, išskirdami didelės energijos fotonus.

Aukštos harmonikos generavimas:

Įsivaizduokite, kad kiekvieną kartą, kai vandens lašelis nukrenta atgal į ežero paviršių, jis sukuria raibulius, panašiai kaip aukštos harmonikos atosekundiniuose lazeriuose. Šie raibuliai turi aukštesnius dažnius ir amplitudes nei pradiniai raibuliai, kuriuos sukelia pirminis femtosekundinis lazerio impulsas. HHG proceso metu galingas lazerio spindulys, panašus į nuolat mėtomus akmenis, apšviečia dujų taikinį, panašų į ežero paviršių. Šis intensyvus lazerio laukas stumia elektronus dujose, analogiškai raibuliams, tolyn nuo jų pirminių atomų ir tada juos traukia atgal. Kiekvieną kartą, kai elektronas grįžta į atomą, jis skleidžia naują lazerio spindulį su aukštesniu dažniu, panašiu į sudėtingesnius raibulių modelius.

Filtravimas ir fokusavimas:

Sujungus visus šiuos naujai sugeneruotus lazerio spindulius, gaunamas įvairių spalvų (dažnių arba bangos ilgių) spektras, iš kurių kai kurie sudaro atosekundinį lazerį. Norint išskirti konkrečius raibulių dydžius ir dažnius, galima naudoti specialų filtrą, panašų į norimų raibulių pasirinkimą, ir padidinti stiklą, kad juos sufokusuotumėte į konkrečią sritį.

Impulso suspaudimas (jei reikia):

Jei siekiate, kad raibuliai sklistų greičiau ir trumpiau, galite paspartinti jų sklidimą naudodami specializuotą įrenginį, taip sutrumpindami kiekvieno raibulio trukmę. Atosekundinių lazerių generavimas apima sudėtingą procesų sąveiką. Tačiau, suskaidžius ir vizualizavus, tai tampa suprantamiau.