2023-yil 3-oktabr kuni kechqurun muhim eʼlon qilindi va unda 2023-yil uchun fizika boʻyicha Nobel mukofoti eʼlon qilindi, unda attosekund lazer texnologiyasi sohasida kashshoflar sifatida muhim rol oʻynagan uch olimning ulkan hissalari eʼtirof etildi.

"Attosekund lazer" atamasi o'z nomini u ishlaydigan nihoyatda qisqa vaqt shkalasidan, xususan, 10^-18 sekundga to'g'ri keladigan attosekundlar tartibida olgan. Ushbu texnologiyaning chuqur ahamiyatini tushunish uchun attosekund nimani anglatishini asosiy tushunish juda muhimdir. Attosekund juda daqiqali vaqt birligi bo'lib, bir soniyaning kengroq kontekstida soniyaning milliarddan bir qismini tashkil qiladi. Buni nuqtai nazardan qaraganda, agar biz soniyani baland tog'ga o'xshatsak, attosekund tog' etagida joylashgan bitta qum donasiga o'xshaydi. Bu o'tkinchi vaqt oralig'ida hatto yorug'lik ham alohida atom kattaligiga teng masofani zo'rg'a bosib o'tishi mumkin. Attosekund lazerlaridan foydalanish orqali olimlar atom tuzilmalari ichidagi elektronlarning murakkab dinamikasini tekshirish va boshqarish uchun misli ko'rilmagan imkoniyatga ega bo'ladilar, bu kinematik ketma-ketlikda kadrma-kadr sekin harakatlanishga o'xshaydi va shu bilan ularning o'zaro ta'sirini chuqurroq o'rganadi.

Attosekund lazerlariolimlarning keng ko'lamli tadqiqotlari va kelishilgan sa'y-harakatlarining cho'qqisini ifodalaydi, ular chiziqli bo'lmagan optika tamoyillaridan ultra tezkor lazerlarni yaratishda foydalanganlar. Ularning paydo bo'lishi bizga qattiq materiallardagi atomlar, molekulalar va hatto elektronlar ichida sodir bo'ladigan dinamik jarayonlarni kuzatish va tadqiq qilish uchun innovatsion nuqtai nazarni taqdim etdi.

Attosekund lazerlarining tabiatini aniqlash va ularning an'anaviy lazerlarga nisbatan noan'anaviy xususiyatlarini baholash uchun ularning kengroq "lazer oilasi" ichida tasniflanishini o'rganish juda muhimdir. To'lqin uzunligi bo'yicha tasniflash attosekund lazerlarini asosan ultrabinafsha va yumshoq rentgen chastotalari oralig'iga joylashtiradi, bu ularning an'anaviy lazerlardan farqli o'laroq sezilarli darajada qisqa to'lqin uzunliklarini bildiradi. Chiqish rejimlari nuqtai nazaridan, attosekund lazerlar juda qisqa impuls davomiyligi bilan ajralib turadigan impulsli lazerlar toifasiga kiradi. Aniqlik uchun o'xshashlik yaratish uchun uzluksiz to'lqinli lazerlarni uzluksiz yorug'lik nurini chiqaradigan chiroqqa o'xshash deb tasavvur qilish mumkin, impulsli lazerlar esa yorug'lik va qorong'ulik davrlari orasida tez almashinib turadigan stroboskop nuriga o'xshaydi. Aslida, attosekund lazerlar yorug'lik va qorong'ulik ichida pulsatsiya qiluvchi xatti-harakatni namoyon qiladi, ammo ularning ikki holat orasidagi o'tishi hayratlanarli chastotada sodir bo'ladi va attosekundlar olamiga yetadi.

Quvvat bo'yicha keyingi tasniflash lazerlarni past quvvatli, o'rta quvvatli va yuqori quvvatli qavslarga joylashtiradi. Attosekund lazerlari juda qisqa impuls davomiyligi tufayli yuqori cho'qqi quvvatiga erishadi, natijada aniq cho'qqi quvvati (P) hosil bo'ladi - bu birlik vaqtiga energiya intensivligi sifatida belgilanadi (P=W/t). Alohida attosekund lazer impulslari juda katta energiyaga (W) ega bo'lmasligi mumkin bo'lsa-da, ularning qisqartirilgan vaqtinchalik uzunligi (t) ularga yuqori cho'qqi quvvatini beradi.

Qo'llanilish sohalari nuqtai nazaridan, lazerlar sanoat, tibbiy va ilmiy qo'llanmalarni qamrab oluvchi keng spektrni qamrab oladi. Attosekund lazerlari asosan ilmiy tadqiqotlar sohasida, xususan, fizika va kimyo sohalarida tez rivojlanayotgan hodisalarni o'rganishda o'z o'rnini topadi va mikrokosmik dunyoning tezkor dinamik jarayonlariga deraza ochadi.

Lazer muhiti bo'yicha tasniflash lazerlarni gaz lazerlari, qattiq holatdagi lazerlar, suyuq lazerlar va yarimo'tkazgichli lazerlarga ajratadi. Attosekund lazerlarini yaratish odatda gaz lazer muhitiga bog'liq bo'lib, yuqori tartibli garmonikalarni hosil qilish uchun chiziqli bo'lmagan optik effektlardan foydalanadi.

Xulosa qilib aytganda, attosekund lazerlari qisqa impulsli lazerlarning noyob sinfini tashkil qiladi, ular odatda attosekundlarda o'lchanadigan juda qisqa impuls davomiyligi bilan ajralib turadi. Natijada, ular atomlar, molekulalar va qattiq materiallar ichidagi elektronlarning o'ta tez dinamik jarayonlarini kuzatish va boshqarish uchun ajralmas vositaga aylandi.

Attosekund lazer ishlab chiqarishning batafsil jarayoni

Attosekund lazer texnologiyasi ilmiy innovatsiyalarning yetakchi pog'onasida turibdi va uni yaratish uchun juda qat'iy shartlar to'plamiga ega. Attosekund lazer yaratishning murakkabliklarini tushuntirish uchun biz uning asosiy tamoyillarini qisqacha bayon qilishdan boshlaymiz, so'ngra kundalik tajribalardan olingan yorqin metaforalar keltiramiz. Tegishli fizikaning murakkabliklaridan xabardor bo'lgan o'quvchilar umidsizlikka tushmasliklari kerak, chunki keyingi metaforalar attosekund lazerlarning asosiy fizikasini tushunishga yordam berishga qaratilgan.

Attosekund lazerlarini yaratish jarayoni asosan Yuqori Garmonik Generatsiya (YGG) deb nomlanuvchi texnikaga asoslanadi. Birinchidan, yuqori intensivlikdagi femtosekund (10^-15 soniya) lazer impulslari nuri gazsimon nishon materialiga mahkam yo'naltirilgan. Shuni ta'kidlash kerakki, attosekund lazerlariga o'xshash femtosekund lazerlar qisqa impuls davomiyligi va yuqori cho'qqi kuchiga ega bo'lish xususiyatlariga ega. Kuchli lazer maydoni ta'sirida gaz atomlari ichidagi elektronlar bir zumda atom yadrolaridan ajralib chiqadi va vaqtincha erkin elektronlar holatiga kiradi. Bu elektronlar lazer maydoniga javoban tebranganda, ular oxir-oqibat o'zlarining ota atom yadrolariga qaytadilar va ular bilan rekombinatsiyalanadilar, bu esa yangi yuqori energiyali holatlarni yaratadi.

Bu jarayon davomida elektronlar juda yuqori tezlikda harakatlanadi va atom yadrolari bilan rekombinatsiya qilinganda, ular yuqori energiyali fotonlar sifatida namoyon bo'ladigan yuqori garmonik emissiyalar shaklida qo'shimcha energiya chiqaradilar.

Ushbu yangi yaratilgan yuqori energiyali fotonlarning chastotalari asl lazer chastotasining butun sonli ko'paytmalari bo'lib, yuqori tartibli garmonikalar deb ataladigan narsani hosil qiladi, bu yerda "garmonikalar" asl chastotaning integral ko'paytmalari bo'lgan chastotalarni bildiradi. Attosekund lazerlariga erishish uchun ushbu yuqori tartibli garmonikalarni filtrlash va fokuslash, ma'lum garmonikalarni tanlash va ularni fokus nuqtasiga jamlash zarur bo'ladi. Agar xohlasangiz, impulslarni siqish texnikasi impuls davomiyligini yanada qisqartirishi va attosekund diapazonida ultra qisqa impulslarni hosil qilishi mumkin. Shubhasiz, attosekund lazerlarini yaratish yuqori darajadagi texnik mahorat va ixtisoslashgan uskunalarni talab qiladigan murakkab va ko'p qirrali jarayondir.

Ushbu murakkab jarayonni demistifikatsiya qilish uchun biz kundalik stsenariylarga asoslangan metaforik parallellikni taklif qilamiz:

Yuqori intensivlikdagi femtosekundli lazer impulslari:

Yuqori intensivlikdagi femtosekundli lazer impulslari kabi ulkan tezlikda toshlarni bir zumda otishga qodir bo'lgan nihoyatda kuchli katapultga ega ekanligingizni tasavvur qiling.

Gazsimon nishon materiali:

Gazsimon nishon materialini ifodalovchi tinch suv havzasini tasavvur qiling, bu yerda har bir tomchi suv son-sanoqsiz gaz atomlarini ifodalaydi. Toshlarni bu suv havzasiga surish harakati yuqori intensivlikdagi femtosekund lazer impulslarining gazsimon nishon materialiga ta'sirini aks ettiradi.

Elektron harakati va rekombinatsiyasi (fizik jihatdan o'tish deb ataladi):

Femtosekund lazer impulslari gazsimon nishon materialidagi gaz atomlariga ta'sir qilganda, tashqi elektronlarning katta qismi bir zumda o'zlarining atom yadrolaridan ajralib chiqadigan holatga qo'zg'aladi va plazmaga o'xshash holatni hosil qiladi. Keyinchalik tizim energiyasi kamayib borishi bilan (lazer impulslari tabiiy ravishda impulslanganligi sababli, to'xtash intervallari mavjud), bu tashqi elektronlar atom yadrolariga yaqinroqqa qaytib, yuqori energiyali fotonlarni chiqaradi.

Yuqori garmonik avlod:

Tasavvur qiling-a, har safar suv tomchisi ko'l yuzasiga tushganda, u attosekund lazerlaridagi yuqori garmonikalarga o'xshash to'lqinlarni hosil qiladi. Bu to'lqinlar birlamchi femtosekund lazer impulsi keltirib chiqaradigan asl to'lqinlarga qaraganda yuqori chastotalar va amplitudalarga ega. HHG jarayonida toshlarni uzluksiz uloqtirishga o'xshash kuchli lazer nuri gaz nishonini yoritadi, bu ko'l yuzasiga o'xshaydi. Bu kuchli lazer maydoni gazdagi elektronlarni, to'lqinlarga o'xshash tarzda, ularning ota atomlaridan uzoqlashtiradi va keyin ularni orqaga tortadi. Har safar elektron atomga qaytganda, u yanada murakkab to'lqin naqshlariga o'xshash yuqori chastotali yangi lazer nurini chiqaradi.

Filtrlash va fokuslash:

Ushbu yangi yaratilgan lazer nurlarining barchasini birlashtirish turli xil ranglar (chastotalar yoki to'lqin uzunliklari) spektrini beradi, ularning ba'zilari attosekund lazerini tashkil qiladi. Muayyan to'lqin o'lchamlari va chastotalarini ajratish uchun siz kerakli to'lqinlarni tanlashga o'xshash maxsus filtrdan foydalanishingiz va ularni ma'lum bir sohaga fokuslash uchun kattalashtiruvchi oynadan foydalanishingiz mumkin.

Puls siqish (agar kerak bo'lsa):

Agar siz to'lqinlarni tezroq va qisqaroq tarqatishni maqsad qilsangiz, ixtisoslashtirilgan qurilma yordamida ularning tarqalishini tezlashtirishingiz mumkin, bu har bir to'lqinning davom etish vaqtini qisqartiradi. Attosekund lazerlarini yaratish jarayonlarning murakkab o'zaro ta'sirini o'z ichiga oladi. Biroq, parchalanib, vizualizatsiya qilinganda, u yanada tushunarli bo'ladi.