Sa isang mahalagang anunsyo noong gabi ng Oktubre 3, 2023, inilabas ang Nobel Prize sa Physics para sa taong 2023, na kumikilala sa natatanging kontribusyon ng tatlong siyentipiko na gumanap ng mahahalagang papel bilang mga pioneer sa larangan ng teknolohiya ng attosecond laser.

Ang terminong "attosecond laser" ay nagmula sa napakaikling timescale na ginagamitan nito, partikular sa pagkakasunud-sunod ng mga attosecond, na katumbas ng 10^-18 segundo. Upang maunawaan ang malalim na kahalagahan ng teknolohiyang ito, napakahalaga ng pangunahing pag-unawa sa kung ano ang ibig sabihin ng isang attosecond. Ang isang attosecond ay kumakatawan sa isang napakaliit na yunit ng oras, na bumubuo ng isang bilyong bahagi ng isang bilyong bahagi ng isang segundo sa loob ng mas malawak na konteksto ng isang segundo. Upang mailagay ito sa perspektibo, kung ihahalintulad natin ang isang segundo sa isang matayog na bundok, ang isang attosecond ay maihahalintulad sa isang butil ng buhangin na nakapuwesto sa paanan ng bundok. Sa panandaliang agwat na ito, kahit ang liwanag ay halos hindi kayang tumawid sa isang distansya na katumbas ng laki ng isang indibidwal na atomo. Sa pamamagitan ng paggamit ng mga attosecond laser, nagkakaroon ang mga siyentipiko ng walang kapantay na kakayahang suriin at manipulahin ang masalimuot na dinamika ng mga electron sa loob ng mga istrukturang atomiko, na katulad ng isang frame-by-frame slow-motion replay sa isang cinematic sequence, sa gayon ay sinisiyasat ang kanilang interaksyon.

Mga laser na attosecondkumakatawan sa kulminasyon ng malawakang pananaliksik at sama-samang pagsisikap ng mga siyentipiko, na gumamit ng mga prinsipyo ng nonlinear optics upang lumikha ng mga ultrafast laser. Ang kanilang pagdating ay nagbigay sa atin ng isang makabagong punto de bista para sa obserbasyon at paggalugad ng mga dinamikong prosesong nagaganap sa loob ng mga atomo, molekula, at maging ang mga electron sa mga solidong materyales.

Upang maipaliwanag ang katangian ng mga attosecond laser at mapahalagahan ang kanilang mga hindi pangkaraniwang katangian kumpara sa mga kumbensyonal na laser, mahalagang tuklasin ang kanilang pagkakategorya sa loob ng mas malawak na "pamilya ng laser." Ang pag-uuri ayon sa wavelength ay naglalagay sa mga attosecond laser sa pangunahing saklaw ng ultraviolet hanggang sa malambot na X-ray frequencies, na nagpapahiwatig ng kanilang kapansin-pansing mas maiikling wavelength kumpara sa mga kumbensyonal na laser. Sa mga tuntunin ng mga output mode, ang mga attosecond laser ay nabibilang sa kategorya ng mga pulsed laser, na nailalarawan sa pamamagitan ng kanilang napakaikling tagal ng pulso. Upang makagawa ng isang pagkakatulad para sa kalinawan, maaaring isipin ng isa ang mga continuous-wave laser na katulad ng isang flashlight na naglalabas ng isang patuloy na sinag ng liwanag, habang ang mga pulsed laser ay kahawig ng isang strobe light, na mabilis na nagpapalit-palit sa pagitan ng mga panahon ng pag-iilaw at kadiliman. Sa esensya, ang mga attosecond laser ay nagpapakita ng isang pulsating na pag-uugali sa loob ng pag-iilaw at kadiliman, ngunit ang kanilang paglipat sa pagitan ng dalawang estado ay nangyayari sa isang kamangha-manghang frequency, na umaabot sa saklaw ng mga attosecond.

Ang karagdagang pagkategorya ayon sa lakas ay naglalagay ng mga laser sa mga bracket na mababa ang lakas, katamtaman ang lakas, at mataas ang lakas. Nakakamit ng mga attosecond laser ang mataas na peak power dahil sa kanilang napakaikling tagal ng pulso, na nagreresulta sa isang malinaw na peak power (P) – na tinukoy bilang ang intensity ng enerhiya bawat yunit ng oras (P=W/t). Bagama't ang mga indibidwal na attosecond laser pulse ay maaaring hindi nagtataglay ng napakalaki at napakalakas na enerhiya (W), ang kanilang pinaikling temporal extent (t) ay nagbibigay sa kanila ng mataas na peak power.

Sa mga saklaw ng aplikasyon, ang mga laser ay sumasaklaw sa isang spectrum na sumasaklaw sa mga aplikasyong industriyal, medikal, at siyentipiko. Pangunahing matatagpuan ng mga attosecond laser ang kanilang angkop na lugar sa larangan ng siyentipikong pananaliksik, lalo na sa paggalugad ng mabilis na umuusbong na mga penomeno sa loob ng mga saklaw ng pisika at kimika, na nag-aalok ng isang bintana sa mabilis na dinamikong proseso ng mikrokosmosong mundo.

Ang pagkakategorya ayon sa medium ng laser ay naglilinaw sa mga laser bilang mga gas laser, solid-state laser, liquid laser, at semiconductor laser. Ang pagbuo ng mga attosecond laser ay karaniwang nakasalalay sa gas laser media, na sinasamantala ang mga nonlinear optical effect upang makabuo ng mga high-order harmonics.

Sa kabuuan, ang mga attosecond laser ay bumubuo ng isang natatanging uri ng mga short-pulse laser, na nakikilala sa pamamagitan ng kanilang napakaikling tagal ng pulso, na karaniwang sinusukat sa attoseconds. Bilang resulta, ang mga ito ay naging kailangang-kailangan na kagamitan para sa pag-obserba at pagkontrol sa napakabilis na dinamikong proseso ng mga electron sa loob ng mga atomo, molekula, at solidong materyales.

Ang Masalimuot na Proseso ng Paglikha ng Attosecond Laser

Ang teknolohiyang attosecond laser ay nangunguna sa makabagong agham, na ipinagmamalaki ang isang nakakaintrigang mahigpit na hanay ng mga kondisyon para sa paglikha nito. Upang linawin ang mga masalimuot na proseso ng paglikha ng attosecond laser, magsisimula tayo sa isang maigsi na paglalahad ng mga pinagbabatayan nitong prinsipyo, na susundan ng matingkad na mga metapora na hango sa mga pang-araw-araw na karanasan. Ang mga mambabasang hindi bihasa sa mga masalimuot na proseso ng kaugnay na pisika ay hindi kailangang mawalan ng pag-asa, dahil ang mga kasunod na metapora ay naglalayong gawing madaling maunawaan ang pangunahing pisika ng mga attosecond laser.

Ang proseso ng pagbuo ng mga attosecond laser ay pangunahing nakasalalay sa pamamaraang kilala bilang High Harmonic Generation (HHG). Una, ang isang sinag ng high-intensity femtosecond (10^-15 segundo) na mga pulso ng laser ay mahigpit na nakatutok sa isang gaseous target na materyal. Mahalagang tandaan na ang mga femtosecond laser, katulad ng mga attosecond laser, ay may mga katangian ng pagkakaroon ng maikling tagal ng pulso at mataas na peak power. Sa ilalim ng impluwensya ng matinding laser field, ang mga electron sa loob ng mga atomo ng gas ay pansamantalang napalaya mula sa kanilang atomic nuclei, pansamantalang pumapasok sa isang estado ng mga malayang electron. Habang ang mga electron na ito ay nag-o-oscillate bilang tugon sa laser field, kalaunan ay bumabalik sila at muling nagsasama sa kanilang magulang na atomic nuclei, na lumilikha ng mga bagong estado na may mataas na enerhiya.

Sa prosesong ito, ang mga electron ay gumagalaw sa napakataas na bilis, at sa muling pagsasama sa atomic nuclei, naglalabas sila ng karagdagang enerhiya sa anyo ng mataas na harmonic emissions, na nagpapakita bilang high-energy photons.

Ang mga frequency ng mga bagong nabuong high-energy photon na ito ay mga integer multiple ng orihinal na frequency ng laser, na bumubuo ng tinatawag na high-order harmonics, kung saan ang "harmonics" ay tumutukoy sa mga frequency na integral multiple ng orihinal na frequency. Upang makamit ang mga attosecond laser, kinakailangang salain at ituon ang mga high-order harmonics na ito, piliin ang mga partikular na harmonics at i-concentrate ang mga ito sa isang focal point. Kung ninanais, ang mga pulse compression techniques ay maaaring higit pang paikliin ang tagal ng pulse, na magbubunga ng mga ultra-short pulses sa attosecond range. Maliwanag, ang pagbuo ng mga attosecond laser ay bumubuo ng isang sopistikado at maraming aspeto na proseso, na nangangailangan ng mataas na antas ng teknikal na kahusayan at espesyalisadong kagamitan.

Upang linawin ang masalimuot na prosesong ito, nag-aalok kami ng isang metaporikal na pagkakatulad na nakabatay sa pang-araw-araw na mga senaryo:

Mga Pulse ng Laser na Femtosecond na may Mataas na Intensity:

Gunigunihin ang pagkakaroon ng isang napakalakas na tirador na may kakayahang agad na maghagis ng mga bato sa napakabilis na bilis, katulad ng papel na ginagampanan ng mga high-intensity femtosecond laser pulse.

Materyal na Pang-target na Gas:

Isipin ang isang payapang anyong tubig na sumisimbolo sa gas na target na materyal, kung saan ang bawat patak ng tubig ay kumakatawan sa napakaraming atomo ng gas. Ang pagkilos ng pagtulak ng mga bato papunta sa anyong tubig na ito ay kahalintulad na sumasalamin sa epekto ng mga high-intensity femtosecond laser pulses sa gas na target na materyal.

Paggalaw at Rekombinasyon ng Elektron (Pisikal na Tinatawag na Transisyon):

Kapag ang mga femtosecond laser pulse ay tumatama sa mga atomo ng gas sa loob ng gaseous target material, isang malaking bilang ng mga panlabas na electron ang pansamantalang nae-excite sa isang estado kung saan humihiwalay sila mula sa kani-kanilang atomic nuclei, na bumubuo ng isang estado na parang plasma. Habang ang enerhiya ng sistema ay lumiliit (dahil ang mga laser pulse ay likas na pumupulso, na nagtatampok ng mga pagitan ng paghinto), ang mga panlabas na electron na ito ay bumabalik sa kanilang paligid ng atomic nuclei, na naglalabas ng mga high-energy photon.

Mataas na Harmonic na Henerasyon:

Isipin na sa bawat pagkakataong bumabalik ang isang patak ng tubig sa ibabaw ng lawa, lumilikha ito ng mga alon, katulad ng mga high harmonic sa mga attosecond laser. Ang mga alon na ito ay may mas mataas na frequency at amplitude kaysa sa orihinal na mga alon na dulot ng pangunahing femtosecond laser pulse. Sa panahon ng proseso ng HHG, isang malakas na laser beam, na katulad ng patuloy na paghagis ng mga bato, ang nag-iilaw sa isang gas target, na kahawig ng ibabaw ng lawa. Ang matinding laser field na ito ay nagtutulak ng mga electron sa gas, katulad ng mga alon, palayo sa kanilang mga magulang na atom at pagkatapos ay hinihila ang mga ito pabalik. Sa bawat pagkakataong bumabalik ang isang electron sa atom, naglalabas ito ng isang bagong laser beam na may mas mataas na frequency, na katulad ng mas masalimuot na mga pattern ng alon.

Pagsala at Pagtutuon:

Ang pagsasama-sama ng lahat ng mga bagong nabuong laser beam na ito ay nagreresulta sa isang spectrum ng iba't ibang kulay (mga frequency o wavelength), na ang ilan ay bumubuo sa attosecond laser. Upang ibukod ang mga partikular na laki at frequency ng ripple, maaari kang gumamit ng isang espesyal na filter, katulad ng pagpili ng ninanais na mga ripples, at gumamit ng magnifying glass upang ituon ang mga ito sa isang partikular na lugar.

Pagpiga ng Pulso (kung kinakailangan):

Kung layunin mong mas mabilis at mas maikli ang pagpapalaganap ng mga ripples, maaari mong pabilisin ang kanilang pagpapalaganap gamit ang isang espesyal na aparato, na binabawasan ang oras ng bawat tagal ng ripple. Ang pagbuo ng mga attosecond laser ay kinabibilangan ng isang kumplikadong interaksyon ng mga proseso. Gayunpaman, kapag pinaghiwa-hiwalay at isinalarawan sa isip, ito ay nagiging mas mauunawaan.