2023-жылдын 3-октябрынын кечинде маанилүү жарыяда 2023-жыл үчүн физика боюнча Нобель сыйлыгы ачылды, бул аттосекунддук лазердик технология чөйрөсүндө пионер катары негизги ролду ойногон үч илимпоздун көрүнүктүү салымдарын таануу.

"Аттосекунддук лазер" термини өзүнүн атын ал иштеген укмуштуудай кыска убакыт шкаласынан, атап айтканда, 10^-18 секундага туура келген аттосекунддардын тартибинен алган. Бул технологиянын терең маанисин түшүнүү үчүн аттосекунд эмнени билдирерин негизги түшүнүү маанилүү. Аттосекунд бир секунданын кеңири контекстинде секунданын миллиарддан бир бөлүгүн түзгөн өтө мүнөттүк убакыт бирдиги катары турат. Муну түшүнүү үчүн, эгер биз бир секунданы бийик тоого салыштыра турган болсок, аттосекунд тоонун түбүндө уялаган бир кум данына окшош болмок. Бул убактылуу аралыкта жарык да бир атомдун өлчөмүнө барабар аралыкты араң басып өтө алат. Аттосекунддук лазерлерди колдонуу аркылуу илимпоздор атомдук структуралардагы электрондордун татаал динамикасын кинематографиялык ырааттуулукта кадрдык ырааттуулукта жай кыймылдатуу процессине окшош тыкыр текшерүү жана башкаруу үчүн болуп көрбөгөндөй жөндөмдүүлүккө ээ болушат, ошону менен алардын өз ара аракеттенүүсүн изилдешет.

Аттосекунддук лазерультра ылдам лазерлерди жасоо үчүн сызыктуу эмес оптиканын принциптерин колдонгон окумуштуулардын кеңири изилдөөлөрүнүн жана макулдашылган аракеттеринин туу чокусу болуп саналат. Алардын пайда болушу бизге катуу материалдардагы атомдордун, молекулалардын жана ал тургай электрондордун ичиндеги динамикалык процесстерди байкоо жана изилдөө үчүн инновациялык мүмкүнчүлүктөрдү берди.

Кадимки лазерлерге салыштырмалуу аттосекунддук лазерлердин табиятын түшүндүрүү жана алардын салттуу эмес атрибуттарын баалоо үчүн, аларды кеңири "лазердик үй-бүлөнүн" ичинде классификациялоону изилдөө зарыл. Толкун узундугу боюнча классификация аттосекунддук лазерлерди негизинен ультра кызгылт көк жана жумшак рентген жыштыктарынын диапазонуна жайгаштырат, бул кадимки лазерлерден айырмаланып, алардын өзгөчө кыска толкун узундугун билдирет. Чыгуу режимдери боюнча аттосекунддук лазерлер импульстуу лазерлердин категориясына кирет, алар өтө кыска импульс узактыгы менен мүнөздөлөт. Тактык үчүн аналогияны келтирсек, үзгүлтүксүз толкундуу лазерлерди үзгүлтүксүз жарыктын шооласын чыгарган кол чыракка окшош деп элестетүүгө болот, ал эми импульстук лазерлер жарыктын жана караңгылыктын мезгили арасында тез алмашып турган строб жарыгына окшош. Негизи, аттосекунддук лазерлер жарыктын жана караңгылыктын ичинде пульсирлөөчү кыймыл-аракетти көрсөтүшөт, бирок алардын эки абалдын ортосундагы өтүшү таң калыштуу жыштыкта ​​өтүп, аттосекунд чөйрөсүнө жетет.

Андан ары кубаттуулугу боюнча классификация лазерлерди аз кубаттуулуктагы, орточо кубаттуулуктагы жана жогорку кубаттуулуктагы кашааларга жайгаштырат. Аттосекунддук лазерлер импульстун өтө кыска узактыгынан улам жогорку эң жогорку кубаттуулукка жетишишет, натыйжада бирдик убакыттагы энергиянын интенсивдүүлүгү (P=Вт/т) катары аныкталган эң жогорку күч (P) пайда болот. Жеке аттосекунддук лазер импульстары өзгөчө чоң энергияга (Вт) ээ болбосо да, алардын кыскартылган убактылуу көлөмү (t) аларга жогорку күчкө ээ болот.

Колдонуу тармагында лазерлер өнөр жай, медициналык жана илимий колдонмолорду камтыган спектрди камтыйт. Аттосекунд лазерлери биринчи кезекте илимий изилдөө чөйрөсүндө, өзгөчө физика жана химия чөйрөлөрүндө тез өнүгүп жаткан кубулуштарды изилдөөдө, микрокосмостук дүйнөнүн тез динамикалык процесстерине терезени сунуштайт.

Лазердик чөйрө боюнча категориялар лазерлерди газ лазерлери, катуу абалдагы лазерлер, суюк лазерлер жана жарым өткөргүч лазерлер катары ажыратат. Аттосекунддук лазерлердин генерациясы, адатта, жогорку тартиптеги гармоникаларды пайда кылуу үчүн сызыктуу эмес оптикалык эффекттерди колдонуу менен, газ лазердик чөйрөсүнө көз каранды.

Жыйынтыктап айтканда, аттосекунддук лазерлер кыска импульстуу лазерлердин уникалдуу классын түзөт, алар адатта аттосекунддор менен өлчөнгөн өзгөчө кыска импульс узактыгы менен айырмаланат. Натыйжада, алар атомдордун, молекулалардын жана катуу материалдардын ичиндеги электрондордун ультра ылдам динамикалык процесстерин байкоо жана көзөмөлдөө үчүн алмаштырылгыс куралдар болуп калды.

Аттосекунддук лазерди түзүүнүн татаал процесси

Attosecond лазердик технология илимий инновациялардын алдыңкы сабында турат жана анын жаралышы үчүн өтө катаал шарттар менен мактанат. Аттосекунддук лазер генерациясынын татаалдыктарын түшүндүрүү үчүн, биз анын негизги принциптерин кыскача баяндоо менен баштайбыз, андан кийин күнүмдүк тажрыйбадан алынган ачык метафоралар. Тиешелүү физиканын татаал жактарын билген окурмандар үмүт үзбөшү керек, анткени кийинки метафоралар аттосекунддук лазерлердин негизги физикасын жеткиликтүү кылууну көздөйт.

Аттосекунддук лазерлерди генерациялоо процесси биринчи кезекте High Harmonic Generation (HHG) деп аталган техникага таянат. Биринчиден, жогорку интенсивдүүлүктөгү фемтосекунддук (10^-15 секунд) лазердик импульстардын нуру газ түрүндөгү максаттуу материалга тыгыз багытталган. Белгилей кетсек, фемтосекунддук лазерлер аттосекунддук лазерлерге окшош, импульстун кыска узактыгына жана жогорку күчкө ээ болуу өзгөчөлүктөрүнө ээ. Интенсивдүү лазер талаасынын таасири астында газ атомдорунун ичиндеги электрондор убактылуу эркин электрондордун абалына өтүп, атомдук ядролорунан убактылуу бошотулат. Бул электрондор лазер талаасына жооп катары термелгендиктен, алар бара-бара өздөрүнүн эне-атомдук ядролоруна кайтып келип, жаңы жогорку энергиялуу абалдарды түзүшөт.

Бул процесстин жүрүшүндө электрондор өтө чоң ылдамдыкта кыймылдашат жана атомдук ядролор менен рекомбинацияланганда жогорку энергиялуу фотондор катары көрүнгөн жогорку гармоникалык эмиссиялар түрүндө кошумча энергияны бөлүп чыгарышат.

Бул жаңы пайда болгон жогорку энергиялуу фотондордун жыштыктары баштапкы лазер жыштыгынын бүтүн эселенген сандары болуп саналат, алар жогорку тартиптеги гармоника деп аталат, мында "гармоника" баштапкы жыштыктын интегралдык эселенген жыштыктарын билдирет. Аттосекунддук лазерлерге жетүү үчүн, бул жогорку тартиптеги гармоникаларды чыпкалоо жана фокустоо, белгилүү гармоникаларды тандап алуу жана аларды фокустук чекитке топтоо зарыл болот. Кааласа, импульсту кысуу ыкмалары импульстун узактыгын андан ары кыскартып, аттосекунддук диапазондо ультра кыска импульстарды берет. Көрүнүп тургандай, аттосекунддук лазерлерди генерациялоо татаал жана көп кырдуу процессти түзүп, жогорку деңгээлдеги техникалык чеберчиликти жана атайын жабдууларды талап кылат.

Бул татаал процессти ачыктоо үчүн биз күнүмдүк сценарийлерге негизделген метафоралык параллелди сунуштайбыз:

Жогорку интенсивдүү фемтосекунддук лазердик импульстар:

Жогорку интенсивдүү фемтосекунддук лазердик импульстардын ролуна окшош, зор ылдамдыкта таштарды заматта ыргытууга жөндөмдүү өзгөчө күчтүү катапультка ээ болуңуз.

Газдуу максаттуу материал:

Газ түрүндөгү максаттуу материалды символдоштурган тынч сууну элестетиңиз, анда суунун ар бир тамчысы сансыз газ атомдорун билдирет. Бул суу массивине таштарды түртүп жиберүү актысы, газ түрүндөгү максаттуу материалга жогорку интенсивдүү фемтосекунддук лазер импульстарынын таасирин чагылдырат.

Электрондук кыймыл жана рекомбинация (физикалык терминдүү өтүү):

Фемтосекунддук лазер импульстары газ түрүндөгү максаттуу материалдын ичиндеги газ атомдоруна таасир эткенде, сырткы электрондордун олуттуу саны көз ирмемге дүүлүктүрүлүп, алар тиешелүү атомдук ядролордон ажырап, плазма сымал абалды түзүшөт. Системанын энергиясы кийинчерээк азайган сайын (лазердик импульстар табиятынан импульстуу болгондуктан, токтоо интервалдарына ээ), бул сырткы электрондор атомдук ядролорго жакын жерге кайтып келип, жогорку энергиялуу фотондорду бөлүп чыгарышат.

Жогорку гармоникалык муун:

Көлдүн бетине суу тамчысы кайра түшкөн сайын, аттосекунддук лазердеги жогорку гармоника сыяктуу толкундарды пайда кылат деп элестетиңиз. Бул толкундар баштапкы фемтосекунддук лазердин импульсунан келип чыккан баштапкы толкундарга караганда жогору жыштыктарга жана амплитудаларга ээ. HHG процессинде тынымсыз ыргытуучу таштарга окшош күчтүү лазер нуру көлдүн бетин элестеткен газ бутасын жарыктандырат. Бул интенсивдүү лазер талаасы газдагы электрондорду толкундарга окшош түртүп, ата-эне атомдорунан алыстатат, анан аларды артка тартат. Электрон атомго кайтып келген сайын, ал татаал толкундардын үлгүлөрүнө окшош, жогорку жыштыктагы жаңы лазер нурун чыгарат.

Чыпкалоо жана Фокустоо:

Бул жаңы пайда болгон лазер нурларынын баарын бириктирүү ар кандай түстөрдүн спектрин (жыштыктарды же толкун узундуктарын) берет, алардын айрымдары аттосекунддук лазерди түзөт. Белгилүү толкундардын өлчөмдөрүн жана жыштыктарын изоляциялоо үчүн, сиз каалаган быдырларды тандоого окшош адистештирилген чыпканы колдонсоңуз болот жана аларды белгилүү бир аймакка фокустоо үчүн чоңойтуучу айнекти колдонсоңуз болот.

Импульстук кысуу (зарыл болсо):

Эгер сиз толкундарды тезирээк жана кыскараак жайылтууну максат кылсаңыз, анда ар бир толкундун узактыгын кыскартуу менен, адистештирилген аппараттын жардамы менен алардын жайылышын тездете аласыз. Аттосекунддук лазерлердин жаралышы процесстердин татаал өз ара аракеттенүүсүн камтыйт. Бирок, аны майдалап, визуалдаштырууда түшүнүктүү болуп калат.