In einer bedeutsamen Ankündigung wurde am Abend des 3. Oktober 2023 der Nobelpreis für Physik für das Jahr 2023 verliehen und damit die herausragenden Beiträge von drei Wissenschaftlern gewürdigt, die als Pioniere auf dem Gebiet der Attosekundenlasertechnologie eine entscheidende Rolle gespielt haben.

Der Begriff „Attosekundenlaser“ verdankt seinen Namen der unglaublich kurzen Zeitspanne, in der er arbeitet, nämlich in der Größenordnung von Attosekunden, was 10^-18 Sekunden entspricht. Um die tiefgreifende Bedeutung dieser Technologie zu erfassen, ist ein grundlegendes Verständnis der Bedeutung einer Attosekunde von größter Bedeutung. Eine Attosekunde ist eine überaus winzige Zeiteinheit, die im weiteren Kontext einer einzelnen Sekunde ein Milliardstel einer Milliardstel Sekunde ausmacht. Um dies ins rechte Licht zu rücken: Wenn wir eine Sekunde mit einem hoch aufragenden Berg vergleichen würden, wäre eine Attosekunde einem einzelnen Sandkorn am Fuße des Berges vergleichbar. In diesem flüchtigen Zeitintervall kann selbst Licht kaum eine Distanz zurücklegen, die der Größe eines einzelnen Atoms entspricht. Durch den Einsatz von Attosekundenlasern erhalten Wissenschaftler die beispiellose Fähigkeit, die komplexe Dynamik von Elektronen innerhalb atomarer Strukturen zu untersuchen und zu manipulieren, ähnlich einer Bild-für-Bild-Zeitlupenwiedergabe in einer Filmsequenz, und so ihr Zusammenspiel zu untersuchen.

Attosekundenlaserstellen den Höhepunkt umfangreicher Forschung und konzertierter Bemühungen von Wissenschaftlern dar, die die Prinzipien der nichtlinearen Optik genutzt haben, um ultraschnelle Laser herzustellen. Ihr Aufkommen hat uns einen innovativen Ausgangspunkt für die Beobachtung und Erforschung der dynamischen Prozesse geboten, die in Atomen, Molekülen und sogar Elektronen in festen Materialien ablaufen.

Um die Natur von Attosekundenlasern zu verstehen und ihre unkonventionellen Eigenschaften im Vergleich zu herkömmlichen Lasern zu würdigen, ist es unbedingt erforderlich, ihre Kategorisierung innerhalb der breiteren „Laserfamilie“ zu untersuchen. Bei der Klassifizierung nach Wellenlänge liegen Attosekundenlaser überwiegend im Bereich der ultravioletten bis weichen Röntgenfrequenzen, was bedeutet, dass sie im Gegensatz zu herkömmlichen Lasern deutlich kürzere Wellenlängen haben. Hinsichtlich der Ausgangsmodi fallen Attosekundenlaser in die Kategorie der gepulsten Laser, die sich durch ihre äußerst kurze Pulsdauer auszeichnen. Um der Klarheit halber eine Analogie zu ziehen: Man kann sich Dauerstrichlaser wie eine Taschenlampe vorstellen, die einen kontinuierlichen Lichtstrahl aussendet, während gepulste Laser einem Stroboskoplicht ähneln, das schnell zwischen Beleuchtungs- und Dunkelheitsperioden wechselt. Im Wesentlichen zeigen Attosekundenlaser ein pulsierendes Verhalten im Licht und in der Dunkelheit, doch ihr Übergang zwischen den beiden Zuständen erfolgt mit einer erstaunlichen Frequenz, die den Bereich von Attosekunden erreicht.

Durch die weitere Kategorisierung nach Leistung werden Laser in die Klassen niedriger, mittlerer und hoher Leistung eingeteilt. Attosekundenlaser erreichen aufgrund ihrer extrem kurzen Pulsdauer eine hohe Spitzenleistung, was zu einer ausgeprägten Spitzenleistung (P) führt – definiert als Energieintensität pro Zeiteinheit (P=W/t). Obwohl einzelne Attosekundenlaserpulse möglicherweise keine außergewöhnlich große Energie (W) besitzen, verleiht ihnen ihre verkürzte zeitliche Ausdehnung (t) eine erhöhte Spitzenleistung.

Hinsichtlich der Anwendungsbereiche decken Laser ein Spektrum ab, das industrielle, medizinische und wissenschaftliche Anwendungen umfasst. Attosekundenlaser finden ihre Nische vor allem im Bereich der wissenschaftlichen Forschung, insbesondere bei der Erforschung sich schnell entwickelnder Phänomene in den Bereichen Physik und Chemie, und bieten einen Einblick in die schnellen dynamischen Prozesse der mikrokosmischen Welt.

Die Kategorisierung nach Lasermedium unterteilt Laser in Gaslaser, Festkörperlaser, Flüssigkeitslaser und Halbleiterlaser. Die Erzeugung von Attosekundenlasern basiert typischerweise auf Gaslasermedien, die sich nichtlineare optische Effekte zunutze machen, um Harmonische höherer Ordnung zu erzeugen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Attosekundenlaser eine einzigartige Klasse von Kurzpulslasern darstellen, die sich durch ihre außergewöhnlich kurze Pulsdauer auszeichnen, die typischerweise in Attosekunden gemessen wird. Dadurch sind sie zu unverzichtbaren Werkzeugen für die Beobachtung und Steuerung der ultraschnellen dynamischen Prozesse von Elektronen in Atomen, Molekülen und festen Materialien geworden.

Der aufwändige Prozess der Attosekundenlasererzeugung

Die Attosekundenlasertechnologie steht an der Spitze der wissenschaftlichen Innovation und verfügt über faszinierend strenge Bedingungen für ihre Erzeugung. Um die Feinheiten der Attosekundenlasererzeugung zu verdeutlichen, beginnen wir mit einer prägnanten Darstellung der zugrunde liegenden Prinzipien, gefolgt von anschaulichen Metaphern, die aus alltäglichen Erfahrungen abgeleitet sind. Leser, die mit den Feinheiten der relevanten Physik nicht vertraut sind, müssen nicht verzweifeln, da die folgenden Metaphern darauf abzielen, die grundlegende Physik von Attosekundenlasern zugänglich zu machen.

Der Erzeugungsprozess von Attosekundenlasern basiert hauptsächlich auf der Technik der sogenannten High Harmonic Generation (HHG). Zunächst wird ein Strahl hochintensiver Femtosekunden-Laserimpulse (10 bis 15 Sekunden) eng auf ein gasförmiges Zielmaterial fokussiert. Es ist erwähnenswert, dass Femtosekundenlaser, ähnlich wie Attosekundenlaser, die gemeinsamen Eigenschaften haben, kurze Pulsdauern und eine hohe Spitzenleistung zu besitzen. Unter dem Einfluss des intensiven Laserfelds werden Elektronen in den Gasatomen vorübergehend aus ihren Atomkernen freigesetzt und gelangen vorübergehend in einen Zustand freier Elektronen. Da diese Elektronen als Reaktion auf das Laserfeld oszillieren, kehren sie schließlich zu ihren ursprünglichen Atomkernen zurück und verbinden sich mit diesen, wodurch neue hochenergetische Zustände entstehen.

Dabei bewegen sich Elektronen mit extrem hohen Geschwindigkeiten und setzen bei der Rekombination mit den Atomkernen zusätzliche Energie in Form hochharmonischer Emissionen frei, die sich als hochenergetische Photonen manifestieren.

Die Frequenzen dieser neu erzeugten hochenergetischen Photonen sind ganzzahlige Vielfache der ursprünglichen Laserfrequenz und bilden sogenannte Harmonische höherer Ordnung, wobei „Harmonische“ Frequenzen bezeichnen, die ganzzahlige Vielfache der ursprünglichen Frequenz sind. Um Attosekundenlaser zu erhalten, ist es notwendig, diese Harmonischen höherer Ordnung zu filtern und zu fokussieren, indem bestimmte Harmonische ausgewählt und in einem Brennpunkt konzentriert werden. Bei Bedarf können Pulskompressionstechniken die Pulsdauer weiter verkürzen, sodass ultrakurze Pulse im Attosekundenbereich entstehen. Offensichtlich handelt es sich bei der Erzeugung von Attosekundenlasern um einen anspruchsvollen und vielschichtigen Prozess, der ein hohes Maß an technischem Können und Spezialausrüstung erfordert.

Um diesen komplizierten Prozess zu entmystifizieren, bieten wir eine metaphorische Parallele an, die auf alltäglichen Szenarien basiert:

Hochintensive Femtosekunden-Laserpulse:

Stellen Sie sich vor, dass Sie über ein außergewöhnlich starkes Katapult verfügen, das augenblicklich Steine ​​mit enormer Geschwindigkeit schleudern kann, ähnlich der Rolle, die hochintensive Femtosekunden-Laserpulse spielen.

Gasförmiges Zielmaterial:

Stellen Sie sich ein ruhiges Gewässer vor, das das gasförmige Zielmaterial symbolisiert, wobei jeder Wassertropfen unzählige Gasatome darstellt. Der Vorgang, Steine ​​in dieses Gewässer zu treiben, spiegelt analog den Aufprall hochintensiver Femtosekunden-Laserimpulse auf das gasförmige Zielmaterial wider.

Elektronenbewegung und Rekombination (physikalisch als Übergang bezeichnet):

Wenn Femtosekundenlaserpulse auf die Gasatome im gasförmigen Zielmaterial treffen, wird eine beträchtliche Anzahl äußerer Elektronen vorübergehend in einen Zustand angeregt, in dem sie sich von ihren jeweiligen Atomkernen lösen und einen plasmaähnlichen Zustand bilden. Wenn die Energie des Systems anschließend abnimmt (da die Laserpulse von Natur aus gepulst sind und Unterbrechungsintervalle aufweisen), kehren diese äußeren Elektronen in die Nähe der Atomkerne zurück und setzen hochenergetische Photonen frei.

Erzeugung hoher Harmonischer:

Stellen Sie sich vor, dass jedes Mal, wenn ein Wassertropfen auf die Seeoberfläche zurückfällt, Wellen entstehen, ähnlich wie hohe Harmonische in Attosekundenlasern. Diese Wellen haben höhere Frequenzen und Amplituden als die ursprünglichen Wellen, die durch den primären Femtosekundenlaserpuls verursacht werden. Während des HHG-Prozesses beleuchtet ein leistungsstarker Laserstrahl, ähnlich dem kontinuierlichen Werfen von Steinen, ein Gasziel, das der Oberfläche eines Sees ähnelt. Dieses intensive Laserfeld treibt die Elektronen im Gas ähnlich wie Wellen von ihren Ausgangsatomen weg und zieht sie dann zurück. Jedes Mal, wenn ein Elektron zum Atom zurückkehrt, sendet es einen neuen Laserstrahl mit einer höheren Frequenz aus, der komplizierteren Wellenmustern ähnelt.

Filtern und Fokussieren:

Durch die Kombination all dieser neu erzeugten Laserstrahlen entsteht ein Spektrum verschiedener Farben (Frequenzen oder Wellenlängen), von denen einige den Attosekundenlaser ausmachen. Um bestimmte Wellengrößen und -frequenzen zu isolieren, können Sie einen speziellen Filter verwenden, ähnlich wie bei der Auswahl gewünschter Wellen, und eine Lupe verwenden, um sie auf einen bestimmten Bereich zu fokussieren.

Pulskompression (falls erforderlich):

Wenn Sie Wellen schneller und kürzer ausbreiten möchten, können Sie ihre Ausbreitung mit einem speziellen Gerät beschleunigen und so die Dauer jeder Welle verkürzen. Die Erzeugung von Attosekundenlasern erfordert ein komplexes Zusammenspiel von Prozessen. Wenn es jedoch aufgeschlüsselt und visualisiert wird, wird es verständlicher.