2023-yil 3-oktabr oqshomidagi muhim eʼlonda 2023-yil uchun fizika boʻyicha Nobel mukofoti eʼlon qilindi, bu attosekund lazer texnologiyasi sohasida kashshof sifatida muhim rol oʻynagan uchta olimning ulkan hissasini eʼtirof etdi.

"Attosekundli lazer" atamasi o'z nomini 10^-18 soniyaga to'g'ri keladigan attosekundlar tartibida ishlaydigan nihoyatda qisqa vaqt shkalasidan olgan. Ushbu texnologiyaning chuqur ahamiyatini tushunish uchun attosekund nimani anglatishini tubdan tushunish juda muhimdir. Attosekund juda daqiqali vaqt birligi bo'lib, bir soniyaning kengroq kontekstida soniyaning milliarddan bir qismini tashkil qiladi. Buni nuqtai nazarga ko'ra, agar biz bir soniyani baland tog'ga o'xshatsak, attosekund tog' etagida joylashgan bitta qum donasiga o'xshash bo'lar edi. Ushbu o'tkinchi vaqt oralig'ida hatto yorug'lik ham alohida atom hajmiga teng masofani zo'rg'a bosib o'ta oladi. Attosekundli lazerlardan foydalanish orqali olimlar atom tuzilmalari ichidagi elektronlarning murakkab dinamikasini sinchkovlik bilan tekshirish va manipulyatsiya qilish uchun misli ko'rilmagan qobiliyatga ega bo'lishadi, bu xuddi kino ketma-ketligida kadrlar ketma-ketligida sekin harakatlanishni takrorlash va shu bilan ularning o'zaro ta'sirini o'rganish.

Attosekund lazerlariultratezkor lazerlarni yaratish uchun chiziqli bo'lmagan optika tamoyillaridan foydalangan olimlarning keng qamrovli tadqiqotlari va kelishilgan sa'y-harakatlarining yakuniy natijasidir. Ularning paydo bo'lishi bizga qattiq moddalardagi atomlar, molekulalar va hatto elektronlar ichida sodir bo'ladigan dinamik jarayonlarni kuzatish va o'rganish uchun innovatsion nuqtani taqdim etdi.

Attosekundli lazerlarning tabiatini tushuntirish va ularning an'anaviy lazerlarga nisbatan noan'anaviy xususiyatlarini baholash uchun ularni kengroq "lazer oilasi" doirasida tasniflashni o'rganish kerak. To'lqin uzunligi bo'yicha tasniflash attosekundli lazerlarni asosan ultrabinafsha va yumshoq rentgen chastotalari oralig'ida joylashtiradi, bu ularning an'anaviy lazerlardan farqli o'laroq ancha qisqaroq to'lqin uzunliklarini bildiradi. Chiqish rejimlari nuqtai nazaridan, attosekundli lazerlar impulsli lazerlar toifasiga kiradi, ular juda qisqa puls davomiyligi bilan tavsiflanadi. Aniqlik uchun o'xshatish uchun uzluksiz to'lqinli lazerlarni doimiy yorug'lik nurini chiqaradigan chiroqqa o'xshash tarzda tasavvur qilish mumkin, impulsli lazerlar esa yorug'lik va qorong'ulik davrlari o'rtasida tez almashinadigan strob nuriga o'xshaydi. Aslini olganda, attosekundli lazerlar yorug'lik va qorong'ulik ichida pulsatsiyalanuvchi harakatni namoyon qiladi, ammo ularning ikki holat o'rtasida o'tishi hayratlanarli chastotada sodir bo'lib, attosekundlar doirasiga etadi.

Quvvat bo'yicha keyingi tasniflash lazerlarni kam quvvatli, o'rta quvvatli va yuqori quvvatli qavslarga joylashtiradi. Attosekundli lazerlar impulsning juda qisqa muddatlari tufayli yuqori cho'qqi quvvatiga erishadilar, natijada aniq cho'qqi quvvati (P) - vaqt birligidagi energiya intensivligi (P = Vt / t) sifatida aniqlanadi. Alohida attosekundlik lazer impulslari juda katta energiyaga (Vt) ega bo'lmasa-da, ularning qisqartirilgan vaqtinchalik darajasi (t) ularga yuqori quvvatni beradi.

Qo'llash sohalari nuqtai nazaridan lazerlar sanoat, tibbiy va ilmiy dasturlarni qamrab oluvchi spektrni o'z ichiga oladi. Attosecond lazerlar, birinchi navbatda, ilmiy tadqiqotlar sohasida, xususan, fizika va kimyo sohalarida tez rivojlanayotgan hodisalarni o'rganishda o'z o'rnini topadi va mikrokosmik dunyoning tezkor dinamik jarayonlariga oynani taklif qiladi.

Lazer muhiti bo'yicha tasniflash lazerlarni gaz lazerlari, qattiq holatdagi lazerlar, suyuq lazerlar va yarim o'tkazgichli lazerlar sifatida ajratadi. Attosekundli lazerlarning paydo bo'lishi odatda yuqori tartibli harmonikalarni yaratish uchun chiziqli bo'lmagan optik effektlardan foydalangan holda gaz lazerli muhitiga bog'liq.

Xulosa qilib aytganda, attosekundli lazerlar qisqa impulsli lazerlarning noyob sinfini tashkil etadi, ular odatda attosekundlarda o'lchanadigan favqulodda qisqa puls davomiyligi bilan ajralib turadi. Natijada, ular atomlar, molekulalar va qattiq materiallar ichidagi elektronlarning o'ta tez dinamik jarayonlarini kuzatish va nazorat qilish uchun ajralmas vositalarga aylandi.

Attosekund lazerni yaratishning murakkab jarayoni

Attosecond lazer texnologiyasi ilmiy innovatsiyalar orasida birinchi o'rinda turadi va uni yaratish uchun juda jiddiy shartlar to'plami bilan faxrlanadi. Attosecond lazer avlodining nozik tomonlarini tushuntirish uchun biz uning asosiy tamoyillarini qisqacha bayon qilishdan boshlaymiz, so'ngra kundalik tajribadan olingan yorqin metaforalarni keltiramiz. Tegishli fizikaning nozik jihatlari bilan tanish bo'lgan o'quvchilar umidsizlikka tushishlari shart emas, chunki keyingi metaforalar attosekundli lazerlarning asosiy fizikasini ochiq ko'rsatishga qaratilgan.

Attosekundli lazerlarni yaratish jarayoni birinchi navbatda High Harmonic Generation (HHG) deb nomlanuvchi texnikaga tayanadi. Birinchidan, yuqori intensivlikdagi femtosekund (10^-15 soniya) lazer pulslari nurlari gazsimon maqsadli materialga qattiq yo'naltiriladi. Ta'kidlash joizki, femtosekundli lazerlar attosekundli lazerlarga o'xshab, qisqa puls davomiyligi va yuqori cho'qqi kuchiga ega bo'lish xususiyatlariga ega. Kuchli lazer maydoni ta'sirida gaz atomlari ichidagi elektronlar bir lahzada atom yadrolaridan ozod bo'lib, vaqtinchalik erkin elektronlar holatiga kiradi. Ushbu elektronlar lazer maydoniga javoban tebranib turganda, ular oxir-oqibat o'zlarining asosiy atom yadrolariga qaytadilar va ular bilan qayta birlashadilar va yangi yuqori energiya holatlarini yaratadilar.

Bu jarayon davomida elektronlar nihoyatda yuqori tezlikda harakatlanadi va atom yadrolari bilan rekombinatsiyalanganda ular yuqori energiyali fotonlar sifatida namoyon boʻladigan yuqori garmonik emissiya shaklida qoʻshimcha energiya chiqaradi.

Ushbu yangi yaratilgan yuqori energiyali fotonlarning chastotalari asl lazer chastotasining butun sonli ko'paytmalari bo'lib, yuqori tartibli harmonika deb ataladigan narsani hosil qiladi, bu erda "harmonika" asl chastotaning integral ko'paytmalari bo'lgan chastotalarni bildiradi. Attosekundli lazerlarga erishish uchun ushbu yuqori tartibli harmonikalarni filtrlash va fokuslash, o'ziga xos harmonikalarni tanlash va ularni markazlashtirilgan nuqtaga jamlash kerak bo'ladi. Agar so'ralsa, impulsni siqish usullari pulsning davomiyligini yanada qisqartirishi mumkin, bu esa attosekund oralig'ida ultra qisqa pulslarni beradi. Shubhasiz, attosekundli lazerlarni yaratish murakkab va ko'p qirrali jarayon bo'lib, yuqori darajadagi texnik mahorat va maxsus jihozlarni talab qiladi.

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

Yuqori intensivlikdagi femtosoniyali lazer impulslari:

Yuqori intensivlikdagi femtosoniyali lazer impulslari o'ynagan rolga o'xshash ulkan tezlikda toshlarni bir zumda uloqtira oladigan juda kuchli katapultga ega bo'lishni tasavvur qiling.

Gazsimon maqsadli material:

Har bir suv tomchisi son-sanoqsiz gaz atomlarini ifodalovchi gazsimon maqsadli materialni anglatuvchi tinch suv havzasini tasavvur qiling. Ushbu suv havzasiga toshlarni haydash harakati yuqori intensivlikdagi femtosekundli lazer pulslarining gazsimon maqsadli materialga ta'sirini xuddi shunday aks ettiradi.

Elektron harakati va rekombinatsiyasi (fizikaviy o'tish davri):

Femtosekundli lazer impulslari gazsimon maqsadli material ichidagi gaz atomlariga ta'sir qilganda, tashqi elektronlarning katta qismi bir lahzada plazmaga o'xshash holatni hosil qilib, tegishli atom yadrolaridan ajralib chiqadigan holatga tushadi. Tizimning energiyasi keyinchalik kamayib borishi bilan (lazer impulslari tabiatan impulsli bo'lib, to'xtash oraliqlariga ega), bu tashqi elektronlar atom yadrolari yaqiniga qaytib, yuqori energiyali fotonlarni chiqaradi.

Yuqori garmonik avlod:

Tasavvur qiling-a, suv tomchisi har safar ko'l yuzasiga tushganda, u attosekundli lazerlardagi yuqori harmoniklar kabi to'lqinlar hosil qiladi. Ushbu to'lqinlar birlamchi femtosekund lazer zarbasidan kelib chiqqan asl to'lqinlarga qaraganda yuqori chastotalar va amplitudalarga ega. HHG jarayonida toshlarni uzluksiz uloqtirishga o'xshash kuchli lazer nuri ko'l yuzasiga o'xshash gaz nishonini yoritadi. Bu qizg'in lazer maydoni gazdagi elektronlarni to'lqinlarga o'xshab, ota-ona atomlaridan uzoqlashtiradi va keyin ularni orqaga tortadi. Elektron har safar atomga qaytganida, u yanada murakkab dalgalanma naqshlariga o'xshash yuqori chastotali yangi lazer nurini chiqaradi.

Filtrlash va fokuslash:

Ushbu yangi yaratilgan lazer nurlarining barchasini birlashtirib, turli xil ranglar (chastota yoki to'lqin uzunliklari) spektrini beradi, ularning ba'zilari attosekund lazerni tashkil qiladi. To'lqinlarning aniq o'lchamlari va chastotalarini ajratish uchun siz kerakli to'lqinlarni tanlashga o'xshash maxsus filtrdan foydalanishingiz va ularni ma'lum bir hududga qaratish uchun kattalashtiruvchi oynadan foydalanishingiz mumkin.

Pulsni siqish (agar kerak bo'lsa):

Agar siz to'lqinlarni tezroq va qisqaroq tarqatishni maqsad qilgan bo'lsangiz, har bir to'lqinning davom etish vaqtini qisqartirib, maxsus qurilma yordamida ularning tarqalishini tezlashtirishingiz mumkin. Attosekundli lazerlarni yaratish jarayonlarning murakkab o'zaro ta'sirini o'z ichiga oladi. Biroq, parchalanib, vizualizatsiya qilinganda, u yanada tushunarli bo'ladi.