2023 년 10 월 3 일 저녁, 2023 년의 노벨 물리학 상이 발표되어 Attosecond Laser 기술의 영역에서 파이오 주자로서 중추적 인 역할을 한 3 명의 과학자들의 뛰어난 기여를 인식했습니다.

"Attosecond Laser"라는 용어는 특히 10^-18 초에 해당하는 Attoseconds의 순서로 작동하는 엄청나게 짧은 시간 스케일에서 이름을 도출합니다. 이 기술의 심오한 중요성을 파악하기 위해, Attosecond가 의미하는 것에 대한 근본적인 이해가 가장 중요합니다. Attosecond는 1 초의 더 넓은 맥락에서 10 억 분의 1 초를 구성하는 매우 미세한 시간 단위로 서 있습니다. 이것을 원근법으로 삼으려면, 우리가 우뚝 솟은 산에 초를 비유한다면, attosecond는 산의 바닥에 자리 잡은 단일 모래 알갱이와 유사합니다. 이 냉담한 시간 간격에서, 빛조차도 개별 원자의 크기와 동등한 거리를 간신히 가로 질러 갈 수 있습니다. Attosecond 레이저의 활용을 통해 과학자들은 원자 구조 내에서 전자의 복잡한 역학을 면밀히 조사하고 조작 할 수있는 전례없는 능력을 얻습니다.

Attosecond 레이저비선형 광학의 원칙을 초대형 레이저를 만들기 위해 비선형 광학의 원칙을 활용 한 과학자들의 광범위한 연구와 공동 노력의 정점을 나타냅니다. 그들의 출현은 우리에게 고체 재료의 원자, 분자 및 전자 내에서 발생하는 역동적 인 과정의 관찰 및 탐색을위한 혁신적인 유리한 지점을 제공했습니다.

Attosecond 레이저의 본질을 설명하고 기존 레이저와 비교하여 비 전통적인 속성을 인식하기 위해서는 더 넓은 "레이저 패밀리"내에서 분류를 탐색하는 것이 필수적입니다. 파장에 의한 분류는 주로 자외선에서 연질 X- 선 주파수 범위 내에서 주로 레이저를 차단하여 기존 레이저와 대조적으로 눈에 띄게 짧은 파장을 나타냅니다. 출력 모드 측면에서, Attosecond 레이저는 펄스 레이저의 범주에 속하며, 매우 짧은 펄스 지속 시간이 특징입니다. 명확성을위한 비유를 그리려면 연속파 레이저를 연속적인 빛의 빔을 방출하는 손전등과 비슷한 연속파 레이저를 구상 할 수있는 반면, 펄스 레이저는 스트로브 빛과 비슷하며 조명과 어둠 사이의 빠르게 번갈아 가며. 본질적으로, Attosecond 레이저는 조명과 어둠 속에서 맥동 거동을 나타내지 만, 두 상태 사이의 전환은 놀라운 빈도로 사라져서 Attoseconds의 영역에 도달합니다.

전력 배열 레이저에 의한 추가 분류. Attosecond 레이저는 매우 짧은 펄스 지속 시간으로 인해 높은 피크 전력을 달성하여 단위 시간당 에너지 강도 (p = w/t)로 정의됩니다. 개별 Attosecond 레이저 펄스는 예외적으로 큰 에너지 (W)를 가질 수 없지만, 약식 시간 범위 (t)는 이들을 피크 전력을 높이게합니다.

응용 분야의 관점에서, 레이저는 산업, 의료 및 과학 응용 프로그램을 포함하는 스펙트럼에 걸쳐 있습니다. Attosecond 레이저는 주로 과학 연구 영역에서 틈새 시장, 특히 물리학 및 화학 영역 내에서 빠르게 진화하는 현상을 탐색하여 소우주 세계의 신속한 역동적 인 과정에 대한 창을 제공합니다.

레이저 중간에 의한 분류는 가스 레이저, 고형 상태 레이저, 액체 레이저 및 반도체 레이저로 레이저를 묘사합니다. Attosecond 레이저의 생성은 일반적으로 가스 레이저 매체에 경첩이 있으며, 비선형 광학 효과를 활용하여 고차 고조파를 유발합니다.

요약하면, Attosecond 레이저는 일반적으로 Attoseconds로 측정되는 매우 짧은 펄스 지속 기간으로 구별되는 독특한 종류의 짧은 펄스 레이저를 구성합니다. 결과적으로, 이들은 원자, 분자 및 고체 재료 내에서 전자의 초고속 동적 프로세스를 관찰하고 제어하기위한 필수적인 도구가되었습니다.

Attosecond 레이저 생성의 정교한 과정

Attosecond 레이저 기술은 과학 혁신의 최전선에 서서 그 세대에 대한 흥미롭게도 엄격한 조건을 자랑합니다. Attosecond 레이저 생성의 복잡성을 설명하기 위해, 우리는 근본적인 원리의 간결한 설명으로 시작한 다음 일상적인 경험에서 비롯된 생생한 은유로 시작합니다. 관련 물리학의 복잡성에 반대하는 독자들은 절망 할 필요가 없다.

Attosecond 레이저의 생성 공정은 주로 고조파 생성 (HHG)으로 알려진 기술에 의존합니다. 첫째, 고강도 펨토초 (10^-15 초) 레이저 펄스의 빔은 기체 표적 재료에 단단히 집중되어 있습니다. Attosecond 레이저와 유사한 펨토초 레이저는 짧은 펄스 지속 시간과 높은 피크 전력의 특성을 공유한다는 점은 주목할 가치가 있습니다. 강렬한 레이저 필드의 영향 하에서, 가스 원자 내의 전자는 원자 핵으로부터 순간적으로 자유롭게되며, 일시적으로 자유 전자 상태로 들어갑니다. 이들 전자가 레이저 필드에 반응하여 진동함에 따라 결국 부모 원자 핵으로 돌아와 재결합하여 새로운 고 에너지 상태를 만듭니다.

이 과정에서, 전자는 매우 높은 속도로 이동하고, 원자 핵으로 재조합시, 높은 고조파 배출 형태로 추가 에너지를 방출하여 고 에너지 광자로 나타납니다.

새로 생성 된 고 에너지 광자의 주파수는 원래 레이저 주파수의 정수 배수이며, 고차 고조파라고 불리는 것을 형성하며, 여기서 "고조파"는 원래 주파수의 필수 배수 인 주파수를 나타냅니다. Attosecond 레이저를 얻으려면 이러한 고차 고조파 고조파를 필터링하고 집중시켜 특정 고조파를 선택하고 초점에 집중해야합니다. 원하는 경우, 펄스 압축 기술은 펄스 지속 시간을 추가로 축약 할 수 있으며, 이는 아토 초 범위에서 초소형 펄스를 생성 할 수 있습니다. 분명히, Attosecond 레이저의 생성은 정교하고 다각적 인 프로세스를 구성하여 높은 수준의 기술적 능력과 특수 장비를 요구합니다.

이 복잡한 과정을 해제하기 위해, 우리는 일상적인 시나리오에 근거한 은유 적 평행을 제공합니다.

고강도 펨토초 레이저 펄스 :

고강도 펨토초 레이저 펄스의 역할과 유사하게 거대한 속도로 석재를 즉시 던질 수있는 예외적으로 강력한 투석기를 보유하고 있습니다.

기체 대상 재료 :

각 물방울은 무수한 가스 원자를 나타내는 기체 표적 재료를 상징하는 고요한 물 몸체를 상상하십시오. 이 물 몸체로 돌을 추진하는 행위는 유사하게 대상 대상 물질에 대한 고강도 펨토초 레이저 펄스의 영향을 유사하게 반영합니다.

전자 운동 및 재조합 (물리적으로 전이) :

펨토초 레이저 펄스가 기체 표적 물질 내의 가스 원자에 영향을 미치는 경우, 상당수의 외부 전자가 각각의 원자 핵에서 분리되어 혈장 유사 상태를 형성하는 상태로 순간적으로 흥분된다. 시스템의 에너지가 이후에 감소함에 따라 (레이저 펄스가 본질적으로 펄스가 펄럭이기 때문에),이 외부 전자는 원자 핵 근처로 돌아와 고 에너지 광자를 방출합니다.

높은 고조파 생성 :

물방울이 호수 표면으로 돌아올 때마다 다수의 레이저에서 높은 고조파와 마찬가지로 잔물결을 만듭니다. 이 잔물결은 1 차 펨토초 레이저 펄스로 인한 원래의 잔물결보다 더 높은 주파수와 진폭을 갖습니다. HHG 과정에서 돌을 지속적으로 던지는 것과 유사한 강력한 레이저 빔은 호수 표면과 비슷한 가스 목표를 밝힙니다. 이 강렬한 레이저 필드는 가스에서 전자를 파문과 유사하게, 부모의 원자에서 멀어지게 한 다음 다시 당깁니다. 전자가 원자로 돌아올 때마다, 더 복잡한 리플 패턴과 유사한 더 높은 주파수로 새로운 레이저 빔을 방출합니다.

필터링 및 초점 :

새로 생성 된 모든 레이저 빔을 결합하면 다양한 색상 (주파수 또는 파장)의 스펙트럼이 있으며, 그 중 일부는 Attosecond 레이저를 구성합니다. 특정 리플 크기 및 주파수를 분리하려면 원하는 잔물결을 선택하는 것과 유사한 특수 필터를 사용하고 돋보기를 사용하여 특정 영역에 초점을 맞출 수 있습니다.

펄스 압축 (필요한 경우) :

잔물결을 더 빠르고 짧게 전파하려는 경우 특수 장치를 사용하여 전파를 가속화하여 각 잔물결이 지속되는 시간을 줄일 수 있습니다. Attosecond 레이저의 생성에는 복잡한 공정 상호 작용이 포함됩니다. 그러나 고장 나고 시각화되면 더 이해력이 있습니다.