Dalam pengumuman yang penting pada petang 3 Oktober 2023, Hadiah Nobel dalam Fizik untuk Tahun 2023 telah diumumkan, mengiktiraf sumbangan cemerlang tiga saintis yang telah memainkan peranan penting sebagai perintis dalam bidang teknologi laser Attosecond.

Istilah "laser attosecond" memperoleh namanya dari skala masa yang sangat singkat yang beroperasi, khususnya dalam urutan attoseconds, sepadan dengan 10^-18 saat. Untuk memahami kepentingan teknologi ini yang mendalam, pemahaman asas tentang apa yang menandakan Attosecond adalah yang paling penting. Attosecond berdiri sebagai satu unit masa yang sangat kecil, yang membentuk satu bilion bilion detik dalam konteks yang lebih luas satu saat. Untuk meletakkan perspektif ini, jika kita menyamakan satu saat ke gunung yang menjulang tinggi, Attosecond akan sama dengan satu bijirin pasir yang terletak di pangkalan gunung. Dalam selang masa temporal ini, walaupun cahaya hampir tidak dapat melintasi jarak bersamaan dengan saiz atom individu. Melalui penggunaan laser Attosecond, para saintis memperoleh keupayaan yang belum pernah terjadi sebelumnya untuk meneliti dan memanipulasi dinamik rumit elektron dalam struktur atom, serupa dengan bingkai-bingkai perlahan-gerakan perlahan-gerakan dalam urutan sinematik, dengan itu menyelidiki interaksi mereka.

Laser attosecondmewakili kemuncak penyelidikan yang luas dan usaha bersepadu oleh saintis, yang telah memanfaatkan prinsip -prinsip optik bukan linear untuk membuat laser ultrafast. Kemunculan mereka telah memberikan kita sudut pandang yang inovatif untuk pemerhatian dan penerokaan proses dinamik yang berlaku dalam atom, molekul, dan juga elektron dalam bahan pepejal.

Untuk menjelaskan sifat laser Attosecond dan menghargai sifat -sifat yang tidak konvensional mereka berbanding dengan laser konvensional, adalah penting untuk meneroka pengkategorian mereka dalam "keluarga laser" yang lebih luas. Klasifikasi oleh panjang gelombang meletakkan laser attosecond terutamanya dalam julat ultraviolet kepada frekuensi sinar-X lembut, menandakan panjang gelombang yang lebih pendek berbanding dengan laser konvensional. Dari segi mod output, laser Attosecond berada di bawah kategori laser berdenyut, yang dicirikan oleh tempoh nadi yang sangat singkat. Untuk menarik analogi untuk kejelasan, seseorang boleh membayangkan laser gelombang berterusan seperti yang sama dengan lampu suluh yang memancarkan sinar cahaya yang berterusan, sementara laser berdenyut menyerupai cahaya strob, dengan cepat bergantian antara tempoh pencahayaan dan kegelapan. Pada dasarnya, laser Attosecond mempamerkan tingkah laku berdenyut dalam pencahayaan dan kegelapan, namun peralihan mereka antara kedua -dua negara beralih pada kekerapan yang mengagumkan, mencapai alam attoseconds.

Pengkategorian selanjutnya oleh kuasa meletakkan laser ke dalam kuasa rendah, kuasa sederhana, dan kurungan kuasa tinggi. Laser Attosecond mencapai kuasa puncak yang tinggi kerana tempoh nadi yang sangat pendek, mengakibatkan kuasa puncak yang jelas (P) - ditakrifkan sebagai intensiti tenaga per unit masa (p = w/t). Walaupun pulsa laser attosecond individu mungkin tidak mempunyai tenaga yang sangat besar (W), tahap temporal yang disingkat (T) menyampaikannya dengan kuasa puncak yang tinggi.

Dari segi domain aplikasi, laser merangkumi spektrum yang merangkumi aplikasi industri, perubatan, dan saintifik. Laser Attosecond terutamanya mendapati niche mereka dalam bidang penyelidikan saintifik, terutamanya dalam penerokaan fenomena yang pesat berkembang dalam bidang fizik dan kimia, yang menawarkan tingkap ke dalam proses dinamik Swift dunia mikrokosim.

Pengkategorian oleh laser medium menggambarkan laser sebagai laser gas, laser pepejal, laser cecair, dan laser semikonduktor. Penjanaan laser Attosecond biasanya bergantung pada media laser gas, memanfaatkan kesan optik tak linear untuk menghasilkan harmonik pesanan tinggi.

Dalam penjumlahan, laser Attosecond merupakan kelas laser denyutan pendek yang unik, dibezakan oleh tempoh nadi yang luar biasa, biasanya diukur dalam Attoseconds. Akibatnya, mereka telah menjadi alat yang sangat diperlukan untuk mengamati dan mengawal proses dinamik ultrafast elektron dalam atom, molekul, dan bahan pepejal.

Proses Generasi Laser Attosecond yang rumit

Teknologi laser Attosecond berada di barisan hadapan inovasi saintifik, yang membanggakan satu set syarat yang ketat untuk generasi. Untuk menjelaskan kerumitan generasi laser Attosecond, kita mulakan dengan eksposisi ringkas prinsip -prinsip asasnya, diikuti dengan metafora yang jelas yang diperolehi dari pengalaman sehari -hari. Pembaca yang tidak berpengalaman dalam kerumitan fizik yang berkaitan tidak perlu putus asa, kerana metafora berikutnya bertujuan untuk menjadikan fizik asas laser Attosecond boleh diakses.

Proses penjanaan laser Attosecond terutamanya bergantung kepada teknik yang dikenali sebagai Generasi Harmonik Tinggi (HHG). Pertama, rasuk femtosecond intensiti tinggi (10^-15 saat) denyutan laser fokus pada bahan sasaran gas. Perlu diingat bahawa laser femtosecond, sama dengan laser attosecond, berkongsi ciri -ciri memiliki tempoh denyut pendek dan kuasa puncak yang tinggi. Di bawah pengaruh medan laser yang sengit, elektron dalam atom gas dibebaskan dari nukleus atom mereka, secara sementara memasuki keadaan elektron bebas. Oleh kerana elektron ini berayun sebagai tindak balas kepada medan laser, mereka akhirnya kembali ke dan rekombin dengan nukleus atom ibu bapa mereka, mewujudkan keadaan tenaga tinggi baru.

Semasa proses ini, elektron bergerak pada halaju yang sangat tinggi, dan apabila rekombinasi dengan nukleus atom, mereka melepaskan tenaga tambahan dalam bentuk pelepasan harmonik yang tinggi, yang ditunjukkan sebagai foton tenaga tinggi.

Kekerapan foton bertenaga tinggi yang baru dijana adalah gandaan integer frekuensi laser asal, membentuk apa yang disebut harmonik pesanan tinggi, di mana "harmonik" menandakan frekuensi yang merupakan gandaan integral frekuensi asal. Untuk mencapai laser Attosecond, ia menjadi perlu untuk menapis dan memfokuskan harmonik pesanan tinggi ini, memilih harmonik tertentu dan menumpukan perhatiannya ke titik fokus. Sekiranya dikehendaki, teknik mampatan nadi dapat menyingkat tempoh nadi, menghasilkan denyutan ultra-pendek dalam julat Attosecond. Jelas, penjanaan laser Attosecond merupakan proses yang canggih dan pelbagai, menuntut tahap kehebatan teknikal dan peralatan khusus.

Untuk menafikan proses yang rumit ini, kami menawarkan selari metafora yang berasaskan dalam senario sehari -hari:

Femtosecond Laser Femtosecond intensiti tinggi:

Envision yang mempunyai catapult yang sangat kuat yang mampu segera melemparkan batu-batu pada kelajuan kolosal, sama dengan peranan yang dimainkan oleh denyutan laser femtosecond intensiti tinggi.

Bahan sasaran gas:

Gambar badan air yang tenang yang melambangkan bahan sasaran gas, di mana setiap titisan air mewakili pelbagai atom gas. Tindakan batu-batu yang mendorong ke dalam badan air ini mencerminkan kesan denyutan laser femtosecond intensiti tinggi pada bahan sasaran gas.

Gerakan Elektron dan Rekombinasi (peralihan yang disebut secara fizikal):

Apabila denyutan laser femtosecond memberi kesan kepada atom gas dalam bahan sasaran gas, sejumlah besar elektron luar seketika teruja dengan keadaan di mana mereka melepaskan dari nukleus atom masing-masing, membentuk keadaan seperti plasma. Oleh kerana tenaga sistem kemudiannya berkurangan (kerana denyutan laser secara semulajadi berdenyut, yang memaparkan selang waktu berhenti), elektron luar ini kembali ke sekitar nukleus atom mereka, melepaskan foton tenaga tinggi.

Generasi harmonik yang tinggi:

Bayangkan setiap kali titisan air jatuh ke permukaan tasik, ia mencipta riak, seperti harmonik yang tinggi di laser Attosecond. Riak ini mempunyai frekuensi dan amplitud yang lebih tinggi daripada riak asal yang disebabkan oleh nadi laser femtosecond utama. Semasa proses HHG, rasuk laser yang kuat, serupa dengan batu -batu yang terus melemparkan, menerangi sasaran gas, menyerupai permukaan tasik. Bidang laser yang sengit ini mendorong elektron dalam gas, sama dengan riak, jauh dari atom induk mereka dan kemudian menariknya kembali. Setiap kali elektron kembali ke atom, ia memancarkan rasuk laser baru dengan frekuensi yang lebih tinggi, sama dengan corak riak yang lebih rumit.

Penapisan dan fokus:

Menggabungkan semua rasuk laser yang baru dihasilkan ini menghasilkan spektrum pelbagai warna (frekuensi atau panjang gelombang), yang sebahagiannya membentuk laser attosecond. Untuk mengasingkan saiz dan frekuensi riak tertentu, anda boleh menggunakan penapis khusus, sama seperti memilih riak yang dikehendaki, dan menggunakan kaca pembesar untuk memfokuskannya ke kawasan tertentu.

Mampatan Pulse (jika perlu):

Jika anda berhasrat untuk menyebarkan riak lebih cepat dan lebih pendek, anda boleh mempercepatkan penyebarannya menggunakan peranti khusus, mengurangkan masa setiap riak berlangsung. Penjanaan laser Attosecond melibatkan interaksi proses yang kompleks. Walau bagaimanapun, apabila dipecahkan dan digambarkan, ia menjadi lebih mudah difahami.