2023년 10월 3일 저녁, 아토초 레이저 기술 분야의 선구자로서 중추적인 역할을 한 세 명의 과학자의 뛰어난 공헌을 인정하는 2023년 노벨 물리학상이 발표되었습니다.

"아토초 레이저"라는 용어는 그것이 작동하는 믿을 수 없을 만큼 짧은 시간 척도, 특히 10^-18초에 해당하는 아토초 단위의 이름에서 유래되었습니다. 이 기술의 심오한 중요성을 파악하려면 아토초가 무엇을 의미하는지에 대한 근본적인 이해가 무엇보다 중요합니다. 아토초는 매우 미세한 시간 단위로, 1초라는 더 넓은 맥락에서 10억분의 1초를 구성합니다. 이를 관점에서 보면, 초를 우뚝 솟은 산에 비유한다면, 아토초는 산기슭에 자리잡은 모래알 한 알과 비슷할 것입니다. 이 찰나의 시간적 간격에서는 빛조차도 개별 원자 크기에 해당하는 거리를 간신히 이동할 수 있습니다. 아토초 레이저의 활용을 통해 과학자들은 영화 시퀀스의 프레임별 슬로우 모션 재생과 유사하게 원자 구조 내 전자의 복잡한 역학을 면밀히 조사하고 조작하여 상호 작용을 탐구할 수 있는 전례 없는 능력을 얻습니다.

아토초 레이저초고속 레이저를 제작하기 위해 비선형 광학 원리를 활용한 과학자들의 광범위한 연구와 공동 노력의 정점을 나타냅니다. 그들의 출현은 우리에게 고체 물질의 원자, 분자, 심지어 전자 내에서 발생하는 동적 과정을 관찰하고 탐구할 수 있는 혁신적인 유리한 지점을 제공했습니다.

아토초 레이저의 특성을 설명하고 기존 레이저와 비교하여 비전통적인 특성을 이해하려면 더 넓은 "레이저 계열" 내에서 분류를 탐색하는 것이 중요합니다. 파장에 따른 분류는 아토초 레이저를 주로 자외선에서 연 X선 주파수 범위 내에 배치하는데, 이는 기존 레이저에 비해 파장이 눈에 띄게 짧다는 것을 의미합니다. 출력 모드 측면에서 아토초 레이저는 펄스 지속 시간이 매우 짧은 것이 특징인 펄스 레이저 범주에 속합니다. 명확성을 위해 비유하자면 연속파 레이저는 연속적인 광선을 방출하는 손전등과 유사하고, 펄스 레이저는 조명 기간과 어둠 기간을 빠르게 번갈아 가며 스트로보 조명과 유사하다고 생각할 수 있습니다. 본질적으로 아토초 레이저는 조명과 어둠 속에서 맥동 동작을 보이지만 두 상태 사이의 전환은 놀라운 주파수로 발생하여 아토초 영역에 도달합니다.

출력에 따라 레이저를 더 분류하면 저출력, 중간 출력, 고출력 브래킷으로 분류됩니다. 아토초 레이저는 매우 짧은 펄스 지속 시간으로 인해 높은 피크 전력을 달성하여 단위 시간당 에너지 강도(P=W/t)로 정의되는 뚜렷한 피크 전력(P)을 생성합니다. 개별 아토초 레이저 펄스는 예외적으로 큰 에너지(W)를 보유하지 않을 수 있지만 축약된 시간적 범위(t)는 펄스에 높은 피크 전력을 부여합니다.

응용 분야 측면에서 레이저는 산업, 의료 및 과학 응용 분야를 포괄하는 스펙트럼에 걸쳐 있습니다. 아토초 레이저는 주로 과학 연구 영역, 특히 물리학 및 화학 영역 내에서 빠르게 진화하는 현상을 탐구하는 분야에서 틈새 시장을 찾아 소우주 세계의 신속한 동적 프로세스에 대한 창을 제공합니다.

레이저 매체에 따라 분류하면 레이저는 가스 레이저, 고체 레이저, 액체 레이저, 반도체 레이저로 구분됩니다. 아토초 레이저의 생성은 일반적으로 가스 레이저 매체에 달려 있으며 비선형 광학 효과를 활용하여 고차 고조파를 생성합니다.

요약하면, 아토초 레이저는 일반적으로 아토초 단위로 측정되는 매우 짧은 펄스 지속 시간으로 구별되는 독특한 종류의 단 펄스 레이저를 구성합니다. 그 결과, 원자, 분자, 고체 물질 내 전자의 초고속 동적 과정을 관찰하고 제어하는 ​​데 없어서는 안 될 도구가 되었습니다.

아토초 레이저 생성의 정교한 프로세스

아토초 레이저 기술은 과학적 혁신의 최전선에 서 있으며, 매우 엄격한 생성 조건을 자랑합니다. 아토초 레이저 생성의 복잡성을 설명하기 위해 기본 원리에 대한 간결한 설명으로 시작하고 일상 경험에서 파생된 생생한 은유가 이어집니다. 관련 물리학의 복잡성에 정통한 독자들은 절망할 필요가 없습니다. 이어지는 비유는 아토초 레이저의 기초 물리학을 접근 가능하게 만드는 것을 목표로 하기 때문입니다.

아토초 레이저의 생성 과정은 주로 고조파 생성(HHG)으로 알려진 기술에 의존합니다. 첫째, 고강도 펨토초(10^-15초) 레이저 펄스의 빔이 기체 표적 물질에 단단히 집중됩니다. 아토초 레이저와 유사한 펨토초 레이저는 짧은 펄스 지속 시간과 높은 피크 출력을 갖는 특성을 공유한다는 점은 주목할 가치가 있습니다. 강렬한 레이저장의 영향으로 가스 원자 내의 전자는 순간적으로 원자핵에서 해방되어 일시적으로 자유 전자 상태로 들어갑니다. 이러한 전자는 레이저 장에 반응하여 진동하면서 결국 모 원자핵으로 돌아가서 재결합하여 새로운 고에너지 상태를 생성합니다.

이 과정에서 전자는 매우 빠른 속도로 움직이며 원자핵과 재결합하면 고조파 방출 형태로 추가 에너지를 방출하여 고에너지 광자로 나타납니다.

새로 생성된 고에너지 광자의 주파수는 원래 레이저 주파수의 정수배이며, 고차 고조파라고 불리는 것을 형성합니다. 여기서 "고조파"는 원래 주파수의 정수배인 주파수를 나타냅니다. 아토초 레이저를 얻으려면 이러한 고차 고조파를 필터링하고 집중시켜 특정 고조파를 선택하고 초점에 집중시키는 것이 필요합니다. 원하는 경우 펄스 압축 기술을 사용하여 펄스 지속 시간을 더욱 단축하여 아토초 범위의 초단 펄스를 생성할 수 있습니다. 분명히 아토초 레이저의 생성은 고도의 기술적 역량과 특수 장비를 요구하는 정교하고 다면적인 프로세스로 구성됩니다.

이 복잡한 프로세스를 이해하기 위해 우리는 일상적인 시나리오에 기초한 비유적 유사점을 제공합니다.

고강도 펨토초 레이저 펄스:

고강도 펨토초 레이저 펄스가 수행하는 역할과 유사하게 엄청난 속도로 돌을 순간적으로 던질 수 있는 매우 강력한 투석기를 보유하는 것을 상상해 보세요.

기체 타겟 물질:

각각의 물방울이 무수한 기체 원자를 나타내는 기체 표적 물질을 상징하는 고요한 물을 상상해 보세요. 이 수역에 돌을 밀어 넣는 행위는 고강도 펨토초 레이저 펄스가 기체 표적 물질에 미치는 영향을 유사하게 반영합니다.

전자 운동 및 재결합(물리적으로 용어화된 전이):

펨토초 레이저 펄스가 기체 타겟 물질 내의 기체 원자에 충격을 가하면 상당수의 외부 전자가 일시적으로 각 원자핵에서 분리되어 플라즈마와 같은 상태를 형성하는 상태로 여기됩니다. 이후 시스템의 에너지가 감소함에 따라(레이저 펄스는 본질적으로 펄스화되어 정지 간격을 갖기 때문에) 이러한 외부 전자는 원자핵 근처로 돌아가 고에너지 광자를 방출합니다.

높은 고조파 생성:

물방울이 호수 표면으로 떨어질 때마다 아토초 레이저의 높은 고조파와 유사한 잔물결이 생성된다고 상상해 보세요. 이러한 잔물결은 기본 펨토초 레이저 펄스로 인해 발생하는 원래 잔물결보다 더 높은 주파수와 진폭을 갖습니다. HHG 공정에서는 계속해서 돌을 던지는 것과 유사한 강력한 레이저 빔이 호수 표면과 유사한 가스 타겟을 비춥니다. 이 강렬한 레이저 장은 잔물결과 유사하게 가스 내 전자를 부모 원자로부터 멀어지게 추진한 다음 다시 끌어당깁니다. 전자가 원자로 돌아올 때마다 더 복잡한 리플 패턴과 유사한 더 높은 주파수의 새로운 레이저 빔을 방출합니다.

필터링 및 포커싱:

새로 생성된 레이저 빔을 모두 결합하면 다양한 색상(주파수 또는 파장)의 스펙트럼이 생성되며, 그 중 일부는 아토초 레이저를 구성합니다. 특정 잔물결 크기와 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. 아토초 레이저의 생성에는 복잡한 프로세스 상호작용이 포함됩니다. 그러나 세분화하여 시각화하면 더 이해하기 쉬워집니다.