3 Ekim 2023 akşamı çok önemli bir duyuruda, 2023 yılı için Nobel Fizik Ödülü açıldı ve Attosecond lazer teknolojisi alanında öncü olarak önemli rol oynayan üç bilim insanının olağanüstü katkılarını kabul etti.

"Attosecond lazer" terimi, adını, özellikle 10^-18 saniyeye karşılık gelen, üzerinde çalıştığı inanılmaz kısa zaman ölçeğinden alır. Bu teknolojinin derin önemini kavramak için, bir Attosecond'un gösterdiği şeyin temel bir anlayışı çok önemlidir. Bir Attosecond, bir saniyenin daha geniş bağlamında bir saniyenin milyarda biri olduğunu belirleyen son derece küçük bir zaman birimi olarak duruyor. Bunu perspektife koymak için, eğer bir saniye yükselen bir dağa benzeyecek olsaydık, bir Attosecond, dağın tabanında yer alan tek bir kum tanesine benzeyecekti. Bu geçici zamansal aralıkta, ışık bile bireysel bir atomun boyutuna eşdeğer bir mesafeyi zar zor geçebilir. Attosecond lazerlerin kullanımı yoluyla, bilim adamları, sinematik bir sırada çerçeve çerçeve yavaş hareketli bir tekrarlamaya benzer şekilde, atomik yapılar içindeki elektronların karmaşık dinamiklerini inceleme ve manipüle etme gibi eşi görülmemiş bir yeteneği kazanırlar ve böylece etkileşimlerine girerler.

Attosecond lazerlerDoğrusal olmayan optik ilkelerini ultra hızlı lazerler yapmak için kullanan kapsamlı araştırmaların ve uyumlu çabaların doruk noktasını temsil eder. Onların gelişi, katı malzemelerde atomlar, moleküller ve hatta elektronlar içinde yer alan dinamik süreçlerin gözlemlenmesi ve araştırılması için bize yenilikçi bir bakış açısı sağladı.

Attosecond lazerlerin doğasını açıklamak ve geleneksel lazerlere kıyasla geleneksel olmayan özelliklerini takdir etmek için, daha geniş "lazer ailesi" içinde kategorizasyonlarını keşfetmek zorunludur. Dalga boyuna göre sınıflandırma, ağırlıklı olarak ultraviyole aralığında yumuşak röntgen frekanslarına, geleneksel lazerlerin aksine önemli ölçüde daha kısa dalga boylarını belirtir. Çıktı modları açısından, attosecond lazerler, son derece kısa nabız süreleri ile karakterize edilen darbeli lazer kategorisine girer. Netlik için bir benzetme çizmek için, sürekli bir ışık ışını yayan bir el fenerine benzeyen sürekli dalga lazerleri öngörürken, darbeli lazerler, aydınlatma ve karanlık dönemleri arasında hızla değişen bir flaş ışığına benzemektedir. Özünde, Attosecond lazerleri aydınlatma ve karanlıkta titreşimli bir davranış sergiler, ancak iki eyalet arasındaki geçişleri şaşırtıcı bir frekansta geçer ve Attoseconds alanına ulaşır.

Güç tarafından daha fazla kategorizasyon, lazerleri düşük güçlü, orta güç ve yüksek güçlü parantezlere yerleştirir. Attosecond lazerler, son derece kısa nabız süreleri nedeniyle yüksek pik güç elde eder, bu da birim zaman başına enerjinin yoğunluğu olarak tanımlanan belirgin bir tepe gücü (P) ile sonuçlanır (P = w/t). Her ne kadar bireysel Attosecond lazer darbeleri olağanüstü büyük enerjiye (W) sahip olmasa da, kısaltılmış zamansal kapsamları (t) bunları yüksek tepe gücü ile verir.

Uygulama alanları açısından, lazerler endüstriyel, tıbbi ve bilimsel uygulamaları kapsayan bir spektrumu kapsar. Attosecond lazerleri, nişlerini, özellikle fizik ve kimya alanlarında hızla gelişen fenomenlerin araştırılmasında, mikrokozmik dünyanın hızlı dinamik süreçlerine bir pencere sunan bilimsel araştırma alanında, bilimsel araştırma alanında bulurlar.

Lazer ortamı tarafından kategorizasyon, lazerleri gaz lazerleri, katı hal lazerler, sıvı lazerler ve yarı iletken lazerler olarak tanımlar. Attosecond lazerlerin üretimi tipik olarak gaz lazer ortamına bağlıdır, yüksek dereceli harmonikler oluşturmak için doğrusal olmayan optik etkilerden yararlanır.

Özetle, Attosecond lazerler, tipik olarak Attoseconds'da ölçülen olağanüstü kısa nabız süreleri ile ayırt edilen benzersiz bir kısa darbe lazer sınıfı oluşturur. Sonuç olarak, atomlar, moleküller ve katı malzemeler içindeki elektronların ultra hızlı dinamik süreçlerini gözlemlemek ve kontrol etmek için vazgeçilmez araçlar haline gelmişlerdir.

Attosecond lazer üretiminin ayrıntılı süreci

Attosecond lazer teknolojisi, bilimsel inovasyonun ön saflarında yer alıyor ve üretimi için ilgi çekici bir dizi koşulla övünüyor. Attosecond lazer üretiminin inceliklerini açıklamak için, altta yatan ilkelerinin özlü bir şekilde açıklanmasıyla başlıyoruz, ardından günlük deneyimlerden elde edilen canlı metaforlar izliyoruz. İlgili fizikin karmaşıklıklarında kaldırılmamış okuyucular, sonraki metaforlar Attosecond lazerlerin temel fiziğini erişilebilir hale getirmeyi amaçladığı için umutsuzluğa ihtiyaç duymazlar.

Attosecond lazerlerin üretim süreci öncelikle yüksek harmonik üretim (HHG) olarak bilinen tekniğe dayanır. Birincisi, yüksek yoğunluklu femtosaniye (10^-15 saniye) lazer darbelerinin bir demeti, gaz halindeki bir hedef malzemeye sıkıca odaklanmıştır. Attosecond lazerlere benzer femtosaniye lazerlerinin kısa nabız süreleri ve yüksek tepe gücüne sahip olmanın özelliklerini paylaştığını belirtmek gerekir. Yoğun lazer alanının etkisi altında, gaz atomları içindeki elektronlar, atomik çekirdeklerinden geçici olarak serbest bırakılır ve geçici olarak serbest elektron durumuna girer. Bu elektronlar lazer alanına yanıt olarak salındığında, sonunda yeni yüksek enerjili durumlar yaratarak ana atom çekirdeklerine geri döner ve yeniden birleşirler.

Bu işlem sırasında, elektronlar aşırı yüksek hızlarda hareket eder ve atomik çekirdeklerle rekombinasyon üzerine, yüksek enerji fotonları olarak tezahür eden yüksek harmonik emisyonlar şeklinde ek enerji serbest bırakırlar.

Bu yeni üretilen yüksek enerjili fotonların frekansları, orijinal lazer frekansının tamsayı katlarıdır, burada "harmonikler" orijinal frekansın entegre katları olan frekansları ifade eder. Attosecond lazerlere ulaşmak için, bu yüksek dereceli harmonikleri filtrelemek ve odaklamak, belirli harmonikleri seçmek ve bunları bir odak noktasına konsantre etmek gerekir. İstenirse, nabız sıkıştırma teknikleri nabız süresini daha da kısaltabilir ve Attosecond aralığında ultra kısa darbeler verir. Açıkçası, Attosecond lazerlerin üretimi, yüksek derecede teknik yetenek ve özel ekipman talep eden sofistike ve çok yönlü bir süreç oluşturur.

Bu karmaşık süreci kötüleştirmek için, günlük senaryolara dayanan mecazi bir paralel sunuyoruz:

Yüksek yoğunluklu femtosaniye lazer darbeleri:

Yüksek yoğunluklu femtosaniye lazer darbelerinin oynadığı role benzeyen muazzam hızlarda taşları anında fırlatabilen son derece güçlü bir mancınık bulunmayı hayal edin.

Gazlı Hedef Malzeme:

Her su damlacıkının sayısız gaz atomunu temsil ettiği gazlı hedef malzemeyi sembolize eden sakin bir su kütlesini hayal edin. Taşları bu su kütlesine itme eylemi, yüksek yoğunluklu femtosaniye lazer darbelerinin gaz halindeki hedef malzeme üzerindeki etkisini benzer şekilde yansıtmaktadır.

Elektron hareketi ve rekombinasyon (fiziksel olarak geçiş olarak adlandırılır):

Femtosaniye lazer darbeleri gaz atomlarını gaz halindeki hedef malzemedeki etkilediğinde, önemli sayıda dış elektron, plazma benzeri bir durum oluşturan, ilgili atomik çekirdeklerinden ayrıldıkları bir duruma anlık olarak uyarılır. Sistemin enerjisi daha sonra azaldıkça (lazer darbeleri doğası gereği atılma aralıklarına sahip nabız atıldığından), bu dış elektronlar atomik çekirdeklerin çevrelerine geri döner ve yüksek enerjili fotonlar salar.

Yüksek Harmonik Nesil:

Bir su damlası gölün yüzeyine her düştüğünde, Attosecond lazerlerindeki yüksek harmonikler gibi dalgalanmalar oluşturduğunu düşünün. Bu dalgalanmalar, birincil femtosaniye lazer darbesinin neden olduğu orijinal dalgalanmalardan daha yüksek frekanslara ve genliklere sahiptir. HHG işlemi sırasında, sürekli olarak atmaya benzer güçlü bir lazer ışını, gölün yüzeyine benzeyen bir gaz hedefini aydınlatır. Bu yoğun lazer alanı, elektronları gaza iter, dalgalanmalara benzer, ana atomlarından uzaktır ve sonra onları geri çeker. Bir elektron atoma her döndüğünde, daha karmaşık dalgalanma desenlerine benzeyen daha yüksek frekansa sahip yeni bir lazer ışını yayar.

Filtreleme ve odaklama:

Tüm bu yeni üretilen lazer ışınlarını birleştirmek, bazıları Attosecond lazeri oluşturan çeşitli renklerin (frekanslar veya dalga boyları) bir spektrumu verir. Belirli dalgalanma boyutlarını ve frekanslarını izole etmek için, istenen dalgalanmaları seçmeye benzer, özel bir filtre kullanabilir ve bunları belirli bir alana odaklamak için bir büyüteç kullanabilirsiniz.

Nabız Sıkıştırma (Gerekirse):

Dalgaları daha hızlı ve daha kısa sürmeyi hedeflerseniz, özel bir cihaz kullanarak yayılmalarını hızlandırarak her bir dalgalanmanın sürdüğü süreyi azaltabilirsiniz. Attosecond lazerlerin üretimi, süreçlerin karmaşık bir etkileşimini içerir. Ancak, parçalandığında ve görselleştirildiğinde, daha anlaşılabilir hale gelir.