U značajnoj objavi uveče 3. oktobra 2023. godine, otkrivena je Nobelova nagrada za fiziku za 2023. godinu, čime je odato priznanje izuzetnim doprinosima trojice naučnika koji su odigrali ključne uloge kao pioniri u oblasti atosekundne laserske tehnologije.

Termin "atosekundni laser" dobio je ime po nevjerovatno kratkom vremenskom periodu na kojem radi, tačnije reda veličine atosekundi, što odgovara 10^-18 sekundi. Da bi se shvatio duboki značaj ove tehnologije, fundamentalno razumijevanje šta atosekunda znači je od najveće važnosti. Atosekunda predstavlja izuzetno minutnu jedinicu vremena, koja predstavlja jedan milijarditi dio milijarditog dijela sekunde u širem kontekstu jedne sekunde. Da bismo ovo stavili u perspektivu, ako bismo sekundu uporedili sa visokom planinom, atosekunda bi bila slična jednom zrnu pijeska smještenom u podnožju planine. U ovom prolaznom vremenskom intervalu, čak i svjetlost jedva može preći udaljenost ekvivalentnu veličini pojedinačnog atoma. Korištenjem atosekundnih lasera, naučnici stiču neviđenu sposobnost da proučavaju i manipulišu složenom dinamikom elektrona unutar atomskih struktura, slično usporenom ponavljanju kadar po kadar u kinematografskoj sekvenci, čime se udubljuju u njihovu interakciju.

Atosekundni laseripredstavljaju kulminaciju opsežnog istraživanja i usklađenih napora naučnika koji su iskoristili principe nelinearne optike za izradu ultrabrzih lasera. Njihova pojava nam je pružila inovativnu povoljnu tačku za posmatranje i istraživanje dinamičkih procesa koji se odvijaju unutar atoma, molekula, pa čak i elektrona u čvrstim materijalima.

Da bi se razjasnila priroda atosekundnih lasera i cijenile njihove nekonvencionalne osobine u poređenju sa konvencionalnim laserima, neophodno je istražiti njihovu kategorizaciju unutar šire "porodice lasera". Klasifikacija po talasnoj dužini smješta atosekundne lasere pretežno u raspon od ultraljubičastih do mekih rendgenskih frekvencija, što ukazuje na njihove znatno kraće talasne dužine u poređenju sa konvencionalnim laserima. Što se tiče izlaznih modova, atosekundni laseri spadaju u kategoriju pulsirajućih lasera, koje karakteriše izuzetno kratko trajanje pulsa. Radi jasnoće, laseri kontinuiranog vala mogu se zamisliti kao slične baterijskoj lampi koja emituje kontinuirani snop svjetlosti, dok pulsirajući laseri podsjećaju na stroboskopsko svjetlo, brzo se izmjenjujući između perioda osvjetljenja i tame. U suštini, atosekundni laseri pokazuju pulsirajuće ponašanje unutar osvjetljenja i tame, ali njihov prelaz između dva stanja odvija se zapanjujućom frekvencijom, dostižući područje atosekundi.

Daljnja kategorizacija prema snazi ​​​​smješta lasere u kategorije male snage, srednje snage i velike snage. Atosekundni laseri postižu visoku vršnu snagu zbog izuzetno kratkog trajanja impulsa, što rezultira izraženom vršnom snagom (P) - definiranom kao intenzitet energije po jedinici vremena (P=W/t). Iako pojedinačni atosekundni laserski impulsi možda ne posjeduju izuzetno veliku energiju (W), njihov skraćeni vremenski opseg (t) daje im povišenu vršnu snagu.

Što se tiče domena primjene, laseri obuhvataju spektar koji obuhvata industrijske, medicinske i naučne primjene. Atosekundni laseri prvenstveno pronalaze svoju nišu u području naučnih istraživanja, posebno u istraživanju brzo razvijajućih fenomena u domenima fizike i hemije, nudeći uvid u brze dinamičke procese mikrokosmičkog svijeta.

Kategorizacija prema laserskom mediju dijeli lasere na plinske lasere, lasere u čvrstom stanju, tečne lasere i poluprovodničke lasere. Generisanje atosekundnih lasera obično se zasniva na plinskim laserskim medijima, koristeći nelinearne optičke efekte za generisanje harmonika višeg reda.

Ukratko, atosekundni laseri predstavljaju jedinstvenu klasu lasera kratkog impulsa, koje odlikuje izuzetno kratko trajanje impulsa, obično mjereno u atosekundama. Kao rezultat toga, postali su nezamjenjivi alati za posmatranje i kontrolu ultrabrzih dinamičkih procesa elektrona unutar atoma, molekula i čvrstih materijala.

Složen proces generisanja atosekundnog lasera

Tehnologija atosekundnih lasera stoji na čelu naučnih inovacija, hvaleći se intrigantno strogim skupom uslova za njeno generisanje. Kako bismo razjasnili složenost generisanja atosekundnih lasera, počinjemo sa sažetim izlaganjem njenih osnovnih principa, nakon čega slijede živopisne metafore izvedene iz svakodnevnih iskustava. Čitaoci koji nisu upućeni u složenosti relevantne fizike ne moraju očajavati, jer metafore koje slijede imaju za cilj da osnovnu fiziku atosekundnih lasera učine pristupačnom.

Proces generisanja atosekundnih lasera prvenstveno se oslanja na tehniku ​​poznatu kao Generisanje Visokih Harmonika (HHG). Prvo, snop visokointenzivnih femtosekundnih (10^-15 sekundi) laserskih impulsa je čvrsto fokusiran na gasoviti ciljni materijal. Vrijedi napomenuti da femtosekundni laseri, slični atosekundnim laserima, dijele karakteristike kratkog trajanja impulsa i visoke vršne snage. Pod uticajem intenzivnog laserskog polja, elektroni unutar atoma gasa se trenutno oslobađaju iz svojih atomskih jezgara, prolazno ulazeći u stanje slobodnih elektrona. Kako ovi elektroni osciluju kao odgovor na lasersko polje, oni se na kraju vraćaju i rekombinuju sa svojim matičnim atomskim jezgrama, stvarajući nova visokoenergetska stanja.

Tokom ovog procesa, elektroni se kreću izuzetno velikim brzinama, a nakon rekombinacije s atomskim jezgrima, oslobađaju dodatnu energiju u obliku visokoharmonijskih emisija, manifestirajući se kao fotoni visoke energije.

Frekvencije ovih novogeneriranih visokoenergetskih fotona su cjelobrojni višekratnici originalne laserske frekvencije, formirajući ono što se naziva harmonici visokog reda, gdje "harmonici" označavaju frekvencije koje su integralni višekratnici originalne frekvencije. Da bi se postigli atosekundni laseri, neophodno je filtrirati i fokusirati ove harmonike visokog reda, odabirom specifičnih harmonika i njihovim koncentriranjem u žarišnu tačku. Po želji, tehnike kompresije impulsa mogu dodatno skratiti trajanje impulsa, dajući ultrakratke impulse u atosekundnom rasponu. Očigledno je da generiranje atosekundnih lasera predstavlja sofisticiran i višestruki proces, koji zahtijeva visok stepen tehničke vještine i specijaliziranu opremu.

Kako bismo demistificirali ovaj složeni proces, nudimo metaforičku paralelu utemeljenu na svakodnevnim scenarijima:

Visokointenzivni femtosekundni laserski impulsi:

Zamislite da posjedujete izuzetno moćan katapult sposoban da trenutno baca kamenje kolosalnim brzinama, slično ulozi koju igraju visokointenzivni femtosekundni laserski impulsi.

Gasoviti ciljni materijal:

Zamislite mirnu vodenu površinu koja simbolizira plinoviti ciljni materijal, gdje svaka kapljica vode predstavlja bezbroj atoma plina. Čin ubacivanja kamenja u ovu vodenu površinu analogno odražava utjecaj visokointenzivnih femtosekundnih laserskih impulsa na plinoviti ciljni materijal.

Kretanje i rekombinacija elektrona (fizički nazvano tranzicija):

Kada femtosekundni laserski impulsi udare u atome gasa unutar gasovitog ciljanog materijala, značajan broj vanjskih elektrona se trenutno pobuđuje u stanje u kojem se odvajaju od svojih odgovarajućih atomskih jezgara, formirajući stanje slično plazmi. Kako se energija sistema potom smanjuje (budući da su laserski impulsi inherentno pulsirajući, s intervalima prestanka), ovi vanjski elektroni se vraćaju u blizinu atomskih jezgara, oslobađajući fotone visoke energije.

Generisanje visokih harmonika:

Zamislite da svaki put kada kapljica vode padne nazad na površinu jezera, ona stvara talase, slično visokim harmonicima u atosekundnim laserima. Ovi talasi imaju veće frekvencije i amplitude od originalnih talasa uzrokovanih primarnim femtosekundnim laserskim pulsom. Tokom HHG procesa, snažan laserski snop, sličan kontinuiranom bacanju kamenja, osvjetljava plinsku metu, koja podsjeća na površinu jezera. Ovo intenzivno lasersko polje pokreće elektrone u plinu, analogno talasima, dalje od njihovih matičnih atoma, a zatim ih povlači nazad. Svaki put kada se elektron vrati atomu, on emituje novi laserski snop s višom frekvencijom, slično složenijim obrascima talasa.

Filtriranje i fokusiranje:

Kombiniranjem svih ovih novogeneriranih laserskih zraka dobija se spektar različitih boja (frekvencija ili valnih dužina), od kojih neke čine atosekundni laser. Da biste izolovali specifične veličine i frekvencije talasanja, možete koristiti specijalizirani filter, sličan odabiru željenih talasanja, i koristiti lupu da ih fokusirate na određeno područje.

Kompresija impulsa (ako je potrebno):

Ako želite brže i kraće širenje talasa, možete ubrzati njihovo širenje pomoću specijaliziranog uređaja, smanjujući vrijeme trajanja svakog talasa. Generisanje atosekundnih lasera uključuje složenu interakciju procesa. Međutim, kada se razloži i vizualizira, postaje razumljivije.