Аттосекундные импульсы — это световые импульсы с длительностью порядка 10⁻¹⁸ секунды, что делает их самыми короткими из известных источников электромагнитного излучения. Такие импульсы открывают уникальные возможности для изучения ультрабыстрых процессов на уровне атомов и электронов. Получение и управление аттосекундными импульсами базируется на тонкой физике нелинейного взаимодействия лазерного излучения с веществом, в частности — с атомными газами.
Ключевым механизмом генерации аттосекундных импульсов является высокочастотное гармоническое излучение (HHG, High Harmonic Generation). Этот процесс происходит при взаимодействии сильного фемтосекундного лазерного импульса с газом инертных атомов (неон, аргон, ксенон), в результате чего генерируются кратные гармоники основной частоты лазера вплоть до сотых порядков.
Физическая картина HHG описывается трехступенчатой моделью:
Гармоники выше 30–50 порядка сливаются в т.н. плато и, при правильной фазовой синхронизации, позволяют сформировать аттосекундные импульсы за счёт когерентной суперпозиции этих гармоник.
Для генерации одиночного аттосекундного импульса требуется подавление эмиссии гармоник вне одного полупериода лазерного поля. Это достигается с помощью нескольких подходов:
После формирования высокочастотного спектра, для получения аттосекундного импульса проводится спектральная фильтрация: выбираются лишь те гармоники, которые когерентны и находятся в пределах определённого диапазона, обеспечивая формирование узкого импульса по времени. Обычно для этого применяются многослойные зеркала или металлические фильтры, оптимизированные для экстремального ультрафиолета (XUV).
Типичные характеристики аттосекундных импульсов:
Измерение аттосекундных импульсов представляет собой отдельную экспериментальную задачу. Основным методом является стрикамерная спектроскопия (attosecond streaking):
Альтернативный метод — RABITT (Reconstruction of Attosecond Beating By Interference of Two-photon Transitions), основанный на интерференции двухфотонных переходов между соседними гармониками и ИК-фотонами, позволяет измерить относительные фазы гармоник и реконструировать импульс.
Для генерации аттосекундных импульсов применяются титан-сапфировые лазеры с длиной волны около 800 нм и длительностью импульса 4–7 фс, усиленные с помощью технологии чирпированного усиления импульсов (CPA). Энергия импульса варьируется от сотен микроджоулей до нескольких миллиджоулей, обеспечивая необходимые условия для нелинейного взаимодействия.
Для расширения спектра и усиления плотности энергии применяются технологии:
Аттосекундные импульсы стали мощным инструментом в аттосекундной науке, изучающей динамику электронов в атомах, молекулах и твёрдых телах. Примеры применений:
Также аттосекундная спектроскопия становится перспективным направлением в сильнопольной физике твердого тела, позволяя изучать электронную динамику в материалах с субфемтосекундным разрешением и отслеживать коллективные возбуждения, такие как плазмоны и экситоны.
Несмотря на значительный прогресс, генерация аттосекундных импульсов сталкивается с рядом вызовов:
Ведутся работы по генерации аттосекундных импульсов на водной струе, использовании солид-стэйт мишеней и усилении гармоник в интенсивных рентгеновских зонах. В перспективе возможно создание источников рентгеновских аттосекундных импульсов высокой яркости для фемто- и аттохимии, а также разработки квантовых логических элементов, управляемых с аттосекундной точностью.