Në një njoftim të rëndësishëm mbrëmjen e 3 tetorit 2023, u zbulua Çmimi Nobel në Fizikë për vitin 2023, duke njohur kontributet e jashtëzakonshme të tre shkencëtarëve që kanë luajtur role kyçe si pionierë në fushën e teknologjisë së lazerit atosekondë.

Termi "lazer atosekondi" e merr emrin nga shkalla kohore tepër e shkurtër në të cilën vepron, konkretisht në rendin e atosekondave, që korrespondon me 10^-18 sekonda. Për të kuptuar rëndësinë e thellë të kësaj teknologjie, një kuptim themelor i asaj që nënkupton një atosekondë është me rëndësi të madhe. Një atosekondë qëndron si një njësi jashtëzakonisht e vogël kohe, që përbën një të miliardtën e një të miliardte të sekondës brenda kontekstit më të gjerë të një sekonde të vetme. Për ta vënë këtë në perspektivë, nëse do ta krahasonim një sekondë me një mal të lartë, një atosekondë do të ishte e ngjashme me një kokërr të vetme rëre të vendosur në rrëzë të malit. Në këtë interval kohor të shkurtër, edhe drita mezi mund të përshkojë një distancë ekuivalente me madhësinë e një atomi individual. Përmes përdorimit të lazerëve atosekondë, shkencëtarët fitojnë aftësinë e pashembullt për të shqyrtuar dhe manipuluar dinamikën e ndërlikuar të elektroneve brenda strukturave atomike, të ngjashme me një riprodhim me lëvizje të ngadaltë kornizë pas kuadri në një sekuencë kinematografike, duke u thelluar kështu në bashkëveprimin e tyre.

Lazerë atosekondëshpërfaqësojnë kulmin e kërkimeve të gjera dhe përpjekjeve të përbashkëta nga shkencëtarët, të cilët kanë shfrytëzuar parimet e optikës jolineare për të krijuar lazerë ultra të shpejtë. Ardhja e tyre na ka pajisur me një pikë të re për vëzhgimin dhe eksplorimin e proceseve dinamike që ndodhin brenda atomeve, molekulave dhe madje edhe elektroneve në materiale të ngurta.

Për të sqaruar natyrën e lazerëve atosekonda dhe për të vlerësuar atributet e tyre jokonvencionale në krahasim me lazerët konvencionalë, është e domosdoshme të eksplorohet kategorizimi i tyre brenda "familjes" më të gjerë të lazerëve. Klasifikimi sipas gjatësisë së valës i vendos lazerët atosekonda kryesisht brenda diapazonit të frekuencave ultravjollcë deri në frekuencat e buta të rrezeve X, duke nënkuptuar gjatësitë e tyre të valëve dukshëm më të shkurtra në krahasim me lazerët konvencionalë. Për sa i përket mënyrave të daljes, lazerët atosekonda bien nën kategorinë e lazerëve të pulsuar, të karakterizuar nga kohëzgjatjet e tyre jashtëzakonisht të shkurtra të pulsit. Për të bërë një analogji për qartësi, mund të imagjinohen lazerët me valë të vazhdueshme si të ngjashëm me një elektrik dore që lëshon një rreze të vazhdueshme drite, ndërsa lazerët e pulsuar i ngjajnë një drite stroboskopike, duke alternuar me shpejtësi midis periudhave të ndriçimit dhe errësirës. Në thelb, lazerët atosekonda shfaqin një sjellje pulsuese brenda ndriçimit dhe errësirës, ​​megjithatë kalimi i tyre midis dy gjendjeve ndodh në një frekuencë të habitshme, duke arritur në sferën e atosekondave.

Kategorizimi i mëtejshëm sipas fuqisë i vendos lazerët në kllapa me fuqi të ulët, me fuqi të mesme dhe fuqi të lartë. Lazerët atosekondë arrijnë fuqi të lartë maksimale për shkak të kohëzgjatjeve të tyre jashtëzakonisht të shkurtra të pulseve, duke rezultuar në një fuqi maksimale të theksuar (P) - të përcaktuar si intensiteti i energjisë për njësi të kohës (P=W/t). Edhe pse pulset individuale të lazerit atosekondë mund të mos kenë energji jashtëzakonisht të madhe (W), shtrirja e tyre e shkurtuar kohore (t) u jep atyre fuqi maksimale të lartë.

Për sa i përket fushave të aplikimit, lazerët përfshijnë një spektër që përfshin aplikime industriale, mjekësore dhe shkencore. Lazerët atosekondësh gjejnë vendin e tyre kryesisht në sferën e kërkimit shkencor, veçanërisht në eksplorimin e fenomeneve që evoluojnë me shpejtësi brenda fushave të fizikës dhe kimisë, duke ofruar një dritare në proceset e shpejta dinamike të botës mikrokozmike.

Kategorizimi sipas mjedisit lazerik i përcakton lazerët si lazerë gazi, lazerë në gjendje të ngurtë, lazerë të lëngshëm dhe lazerë gjysmëpërçues. Gjenerimi i lazerëve atosekonda zakonisht varet nga mjedisi lazer i gazit, duke përfituar nga efektet optike jolineare për të krijuar harmonika të rendit të lartë.

Në përmbledhje, lazerët atosekonda përbëjnë një klasë unike të lazerëve me puls të shkurtër, të dalluar nga kohëzgjatjet e tyre jashtëzakonisht të shkurtra të pulsit, të cilat zakonisht maten në atosekonda. Si rezultat, ato janë bërë mjete të domosdoshme për vëzhgimin dhe kontrollin e proceseve dinamike ultra të shpejta të elektroneve brenda atomeve, molekulave dhe materialeve të ngurta.

Procesi i hollësishëm i gjenerimit të lazerit atosekondë

Teknologjia e lazerit atosekondë qëndron në ballë të inovacionit shkencor, duke u mburrur me një sërë kushtesh interesante dhe rigoroze për gjenerimin e saj. Për të sqaruar ndërlikimet e gjenerimit të lazerit atosekondë, ne fillojmë me një ekspoze koncize të parimeve të saj themelore, e ndjekur nga metafora të gjalla të nxjerra nga përvojat e përditshme. Lexuesit që nuk janë të njohur me ndërlikimet e fizikës përkatëse nuk duhet të dëshpërohen, pasi metaforat që pasojnë synojnë ta bëjnë fizikën themelore të lazerëve atosekondë të arritshme.

Procesi i gjenerimit të lazerëve atosekondë mbështetet kryesisht në teknikën e njohur si Gjenerimi i Lartë Harmonik (HHG). Së pari, një rreze pulsesh lazeri femtosekondëshe me intensitet të lartë (10^-15 sekonda) fokusohet fort në një material të synuar në formë gazi. Vlen të përmendet se lazerët femtosekondë, të ngjashëm me lazerët atosekondë, ndajnë karakteristikat e zotërimit të kohëzgjatjeve të shkurtra të pulseve dhe fuqisë së lartë maksimale. Nën ndikimin e fushës intensive të lazerit, elektronet brenda atomeve të gazit çlirohen përkohësisht nga bërthamat e tyre atomike, duke hyrë përkohësisht në një gjendje elektronesh të lira. Ndërsa këto elektrone lëkunden në përgjigje të fushës së lazerit, ato përfundimisht kthehen dhe rikombinohen me bërthamat e tyre atomike mëmë, duke krijuar gjendje të reja me energji të lartë.

Gjatë këtij procesi, elektronet lëvizin me shpejtësi jashtëzakonisht të larta dhe, pas rikombinimit me bërthamat atomike, ato lëshojnë energji shtesë në formën e emetimeve të larta harmonike, të cilat manifestohen si fotone me energji të lartë.

Frekuencat e këtyre fotoneve me energji të lartë të gjeneruara rishtazi janë shumëfisha të plotë të frekuencës origjinale të lazerit, duke formuar atë që quhet harmonika të rendit të lartë, ku "harmonika" tregon frekuencat që janë shumëfisha integrale të frekuencës origjinale. Për të arritur lazerë atosekondash, bëhet e nevojshme të filtrohen dhe fokusohen këto harmonika të rendit të lartë, duke zgjedhur harmonika specifike dhe duke i përqendruar ato në një pikë fokale. Nëse dëshirohet, teknikat e kompresimit të pulsit mund ta shkurtojnë më tej kohëzgjatjen e pulsit, duke dhënë pulse ultra të shkurtra në diapazonin atosekondash. Me sa duket, gjenerimi i lazerëve atosekondash përbën një proces të sofistikuar dhe shumëplanësh, që kërkon një shkallë të lartë aftësish teknike dhe pajisje të specializuara.

Për ta çmitizuar këtë proces të ndërlikuar, ne ofrojmë një paralele metaforike të bazuar në skenarë të përditshëm:

Pulsime Lazeri Femtosekondash me Intensitet të Lartë:

Imagjinoni të zotëroni një katapultë jashtëzakonisht të fuqishme të aftë për të hedhur menjëherë gurë me shpejtësi kolosale, të ngjashme me rolin që luajnë pulset lazer femtosekonda me intensitet të lartë.

Materiali i Gaztë i Synimit:

Imagjinoni një masë të qetë uji që simbolizon materialin e synuar në formë gazi, ku çdo pikë uji përfaqëson atome të panumërta gazi. Akti i shtytjes së gurëve në këtë masë uji pasqyron në mënyrë analoge ndikimin e pulseve lazer femtosekondëshe me intensitet të lartë në materialin e synuar në formë gazi.

Lëvizja dhe Rekombinimi i Elektroneve (Fizikisht i Emërtuar Tranzicion):

Kur pulset femtosekondëshe të lazerit ndikojnë në atomet e gazit brenda materialit të synuar të gaztë, një numër i konsiderueshëm i elektroneve të jashtme ngacmohen për një çast në një gjendje ku shkëputen nga bërthamat e tyre atomike përkatëse, duke formuar një gjendje të ngjashme me plazmën. Ndërsa energjia e sistemit zvogëlohet më pas (meqenëse pulset e lazerit janë natyrshëm të pulsuara, duke shfaqur intervale ndërprerjeje), këto elektrone të jashtme kthehen në afërsi të bërthamave atomike, duke lëshuar fotone me energji të lartë.

Gjenerimi i Lartë i Harmonikëve:

Imagjinoni sa herë që një pikë uji bie përsëri në sipërfaqen e liqenit, ajo krijon valëzime, shumë të ngjashme me harmonikat e larta në lazerët atosekonda. Këto valëzime kanë frekuenca dhe amplituda më të larta se valëzimet origjinale të shkaktuara nga pulsi primar i lazerit femtosekonda. Gjatë procesit HHG, një rreze lazeri e fuqishme, e ngjashme me hedhjen e vazhdueshme të gurëve, ndriçon një objektiv gazi, që i ngjan sipërfaqes së liqenit. Kjo fushë intensive lazeri shtyn elektronet në gaz, analoge me valëzimet, larg atomeve të tyre mëmë dhe më pas i tërheq ato prapa. Sa herë që një elektron kthehet në atom, ai lëshon një rreze të re lazeri me një frekuencë më të lartë, të ngjashme me modelet më të ndërlikuara të valëzimeve.

Filtrimi dhe Fokusimi:

Kombinimi i të gjitha këtyre rrezeve lazer të gjeneruara rishtazi jep një spektër ngjyrash të ndryshme (frekuenca ose gjatësi vale), disa prej të cilave përbëjnë lazerin atosekondë. Për të izoluar madhësi dhe frekuenca specifike të valëzimeve, mund të përdorni një filtër të specializuar, të ngjashëm me përzgjedhjen e valëzimeve të dëshiruara, dhe të përdorni një xham zmadhues për t'i fokusuar ato në një zonë specifike.

Kompresimi i pulsit (nëse është e nevojshme):

Nëse synoni të përhapni valëzat më shpejt dhe më shkurt, mund ta përshpejtoni përhapjen e tyre duke përdorur një pajisje të specializuar, duke zvogëluar kohën që zgjat secila valëzim. Gjenerimi i lazerëve atosekondë përfshin një ndërveprim kompleks procesesh. Megjithatë, kur ndahet dhe vizualizohet, bëhet më i kuptueshëm.