Svarbiu pranešimu 2023 m. spalio 3 d. vakare buvo paskelbta 2023 m. Nobelio fizikos premija, pripažįstant išskirtinį trijų mokslininkų, atlikusių pagrindinį vaidmenį attosekundinių lazerių technologijos pradininkų, indėlį.

Terminas „attosekundinis lazeris“ kilęs iš neįtikėtinai trumpo veikimo laiko skalės, konkrečiai atosekundžių tvarka, atitinkančia 10^–18 sekundžių. Norint suvokti gilią šios technologijos reikšmę, svarbiausia yra suprasti, ką reiškia attosekundė. Attosekundė yra nepaprastai minutinis laiko vienetas, sudarantis vieną milijardąją milijardąją sekundės dalį platesniame vienos sekundės kontekste. Kalbant apie perspektyvą, jei sekundę palygintume su iškilusiu kalnu, attosekundė būtų panaši į vieną smėlio grūdelį, esantį kalno papėdėje. Per šį trumpalaikį laiko intervalą net šviesa vos gali įveikti atstumą, atitinkantį atskiro atomo dydį. Naudodami attosekundinius lazerius, mokslininkai įgyja precedento neturintį gebėjimą atidžiai išnagrinėti ir manipuliuoti sudėtingą elektronų dinamiką atominėse struktūrose, panašiai kaip kadras po kadro sulėtinto pakartojimo kinematografinėje sekoje, taip gilinantis į jų sąveiką.

Attosekundiniai lazeriaiyra plačių tyrimų ir suderintų mokslininkų pastangų kulminacija, kuri panaudojo netiesinės optikos principus kurdami itin greitus lazerius. Jų atsiradimas suteikė mums naujovišką perspektyvą stebėti ir tyrinėti dinaminius procesus, vykstančius atomuose, molekulėse ir net elektronuose kietose medžiagose.

Norint išsiaiškinti attosekundinių lazerių prigimtį ir įvertinti jų netradicines savybes, palyginti su įprastais lazeriais, būtina ištirti jų skirstymą į platesnę „lazerių šeimą“. Klasifikuojant pagal bangos ilgį, atosekundiniai lazeriai daugiausia patenka į ultravioletinių ir minkštųjų rentgeno spindulių dažnių diapazoną, o tai reiškia, kad jų bangos ilgis yra žymiai trumpesnis, palyginti su įprastiniais lazeriais. Kalbant apie išvesties režimus, atosekundiniai lazeriai patenka į impulsinių lazerių kategoriją, kuriai būdinga ypač trumpa impulsų trukmė. Siekiant aiškumo, galima įsivaizduoti nepertraukiamų bangų lazerius, panašius į žibintuvėlį, skleidžiantį nuolatinį šviesos spindulį, o impulsiniai lazeriai primena stroboskopinę šviesą, greitai kintančią tarp apšvietimo ir tamsos periodų. Iš esmės atosekundiniai lazeriai pasižymi pulsuojančiu elgesiu apšvietime ir tamsoje, tačiau jų perėjimas tarp dviejų būsenų vyksta stulbinančiu dažniu ir pasiekia atosekundžių sritį.

Tolesnis skirstymas į kategorijas pagal galią suskirsto lazerius į mažos galios, vidutinės galios ir didelės galios skliaustus. Attosekundiniai lazeriai pasiekia didelę didžiausią galią dėl ypač trumpų impulsų trukmės, todėl išryškėja didžiausia galia (P) – apibrėžiama kaip energijos intensyvumas per laiko vienetą (P=W/t). Nors atskiri atosekundiniai lazerio impulsai gali neturėti išskirtinai didelės energijos (W), jų sutrumpintas laikinasis mastas (t) suteikia jiems didesnę didžiausią galią.

Kalbant apie taikymo sritis, lazeriai apima pramoninį, medicinos ir mokslo pritaikymą. Attosekundiniai lazeriai pirmiausia randa savo nišą mokslinių tyrimų srityje, ypač tiriant sparčiai besivystančius reiškinius fizikos ir chemijos srityse, atverdami langą į sparčius dinaminius mikrokosminio pasaulio procesus.

Lazeriniai lazeriai skirstomi į dujinius, kietojo kūno lazerius, skystuosius lazerius ir puslaidininkinius lazerius. Atosekundinių lazerių generavimas paprastai priklauso nuo dujinio lazerio terpės, naudojant netiesinius optinius efektus, kad būtų sukurtos aukštos eilės harmonikos.

Apibendrinant galima pasakyti, kad attosekundiniai lazeriai sudaro unikalią trumpų impulsų lazerių klasę, išsiskiriančią nepaprastai trumpa impulsų trukme, paprastai matuojama atosekundėmis. Dėl to jie tapo nepakeičiamais įrankiais stebint ir kontroliuojant ypač greitus dinaminius elektronų procesus atomuose, molekulėse ir kietose medžiagose.

Sudėtingas attosekundinio lazerio generavimo procesas

Attosekundinė lazerinė technologija yra mokslo naujovių priešakyje ir gali pasigirti intriguojančiai griežtomis jos generavimo sąlygomis. Norėdami išsiaiškinti attosekundinės lazerio generavimo sudėtingumą, pradedame nuo glaustos pagrindinių jo principų aprašymo, o po to pateikiame ryškias metaforas, gautas iš kasdienės patirties. Skaitytojams, neišmanantiems atitinkamos fizikos sudėtingumo, nereikia nusiminti, nes sekančiomis metaforomis siekiama padaryti prieinamą pagrindinę atosekundinių lazerių fiziką.

Atosekundinių lazerių generavimo procesas pirmiausia priklauso nuo technologijos, vadinamos aukštosios harmonikos generavimu (HHG). Pirma, didelio intensyvumo femtosekundžių (10^-15 sekundžių) lazerio impulsų spindulys yra tvirtai sufokusuotas į dujinę tikslinę medžiagą. Verta paminėti, kad femtosekundiniai lazeriai, panašūs į attosekundinius lazerius, pasižymi trumpomis impulsų trukmės ir didelės didžiausios galios savybėmis. Intensyvaus lazerio lauko įtakoje dujų atomuose esantys elektronai akimirksniu išsilaisvina iš savo atominių branduolių, laikinai patenka į laisvųjų elektronų būseną. Kadangi šie elektronai svyruoja reaguodami į lazerio lauką, jie galiausiai grįžta į savo pirminius atominius branduolius ir rekombinuojasi su jais, sukurdami naujas didelės energijos būsenas.

Šio proceso metu elektronai juda itin dideliais greičiais, o rekombinuodami su atomo branduoliais išskiria papildomos energijos didelės harmoninės emisijos pavidalu, pasireiškiančiais didelės energijos fotonais.

Šių naujai sukurtų didelės energijos fotonų dažniai yra sveikieji pradinio lazerio dažnio kartotiniai, sudarantys tai, kas vadinama aukštos eilės harmonika, kur „harmonika“ reiškia dažnius, kurie yra neatskiriami pradinio dažnio kartotiniai. Norint pasiekti attosekundinius 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 ir gauti itin trumpus impulsus atosekundžių diapazone. Akivaizdu, kad atosekundinių lazerių generavimas yra sudėtingas ir daugialypis procesas, reikalaujantis didelio techninio meistriškumo ir specializuotos įrangos.

Norėdami demistifikuoti šį sudėtingą procesą, siūlome metaforinę paralelę, pagrįstą kasdieniais scenarijais:

Didelio intensyvumo femtosekundiniai lazerio impulsai:

Įsivaizduokite, kad turite išskirtinai galingą katapultą, galinčią akimirksniu svaidyti akmenis milžinišku greičiu, panašiai kaip didelio intensyvumo femtosekundžių lazerio impulsų vaidmuo.

Dujinė tikslinė medžiaga:

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

Elektronų judėjimas ir rekombinacija (fiziškai vadinamas perėjimu):

Kai femtosekundiniai lazerio impulsai paveikia dujų atomus dujinėje tikslinėje medžiagoje, nemaža dalis išorinių elektronų akimirksniu sužadinami iki būsenos, kai jie atsiskiria nuo atitinkamų atomų branduolių, sudarydami į plazmą panašią būseną. Sistemos energijai vėliau mažėjant (kadangi lazerio impulsai iš prigimties yra pulsuojantys ir sustojimo intervalai), šie išoriniai elektronai grįžta prie atominių branduolių, išskirdami didelės energijos fotonus.

Aukštos harmonikos generacija:

Įsivaizduokite kiekvieną kartą, kai vandens lašelis nukrenta atgal į ežero paviršių, jis sukuria bangavimą, panašiai kaip didelės harmonikos attosekundiniuose lazeriuose. Šių bangų dažnis ir amplitudė yra didesni nei pirminiai raibuliukai, kuriuos sukelia pirminis femtosekundinis lazerio impulsas. HHG proceso metu galingas lazerio spindulys, panašus į nuolat mėtančius akmenis, apšviečia dujų taikinį, panašų į ežero paviršių. Šis intensyvus lazerio laukas varo dujose esančius elektronus, panašiai kaip raibuliavimas, nuo jų pirminių atomų, o paskui atitraukia juos atgal. Kiekvieną kartą, kai elektronas grįžta į atomą, jis skleidžia naują aukštesnio dažnio lazerio spindulį, panašų į sudėtingesnius bangavimo modelius.

Filtravimas ir fokusavimas:

Sujungus visus šiuos naujai sukurtus lazerio spindulius, gaunamas įvairių spalvų spektras (dažnių arba bangos ilgių), kai kurie iš jų sudaro atosekundinį lazerį. Norėdami atskirti konkrečius bangų dydžius ir dažnius, galite naudoti specializuotą filtrą, panašų į norimų bangų pasirinkimą, ir naudoti padidinamąjį stiklą, kad sufokusuotų juos į konkrečią sritį.

Impulso suspaudimas (jei reikia):

Jei norite skleisti bangavimą greičiau ir trumpiau, galite paspartinti jų sklidimą naudodami specializuotą įrenginį ir sutrumpinti kiekvieno bangavimo trukmę. Atosekundinių lazerių generavimas apima sudėtingą procesų sąveiką. Tačiau suskaidytas ir vizualizuotas jis tampa labiau suprantamas.