2023-жылдын 3-октябрында кечинде маанилүү жарыяланган билдирүүдө 2023-жылга физика боюнча Нобель сыйлыгы жарыяланды, анда аттосекунддук лазердик технология жаатында пионерлер катары маанилүү ролду ойногон үч окумуштуунун көрүнүктүү салымы белгиленди.

"Аттосекунддук лазер" термини өзүнүн аталышын ал иштеген укмуштуудай кыска убакыт шкаласынан, тактап айтканда, 10^-18 секундага туура келген аттосекунддардын тартибинен алган. Бул технологиянын терең маанисин түшүнүү үчүн аттосекунд эмнени билдирерин негизги түшүнүү абдан маанилүү. Аттосекунд өтө мүнөттүк убакыт бирдиги катары турат, ал бир секунданын кеңири контекстинде секунданын миллиарддан бир бөлүгүн түзөт. Муну кеңири түшүнүк менен түшүндүрүү үчүн, эгерде биз секунданы бийик тоого салыштырсак, аттосекунд тоонун этегинде жайгашкан бир кум данындай болот. Бул убактылуу аралыкта жарык да жеке атомдун көлөмүнө барабар аралыкты араң басып өтөт. Аттосекунддук лазерлерди колдонуу менен окумуштуулар атомдук түзүлүштөрдөгү электрондордун татаал динамикасын кылдаттык менен изилдөө жана манипуляциялоо үчүн болуп көрбөгөндөй мүмкүнчүлүккө ээ болушат, бул кинематографиялык ырааттуулуктагы кадр сайын жай кыймылды кайталоого окшош, ошону менен алардын өз ара аракеттенүүсүн терең изилдейт.

Аттосекунддук лазерлерсызыктуу эмес оптиканын принциптерин колдонуп, өтө тез лазерлерди жасаган окумуштуулардын кеңири изилдөөлөрүнүн жана биргелешкен аракеттеринин жыйынтыгын билдирет. Алардын пайда болушу бизге катуу материалдардагы атомдордун, молекулалардын жана ал тургай электрондордун ичинде болуп жаткан динамикалык процесстерди байкоо жана изилдөө үчүн инновациялык мүмкүнчүлүктөрдү берди.

Аттосекунддук лазерлердин табиятын түшүндүрүү жана алардын кадимки лазерлерге салыштырмалуу салттуу эмес өзгөчөлүктөрүн баалоо үчүн, алардын кеңири "лазер үй-бүлөсү" ичиндеги категорияларын изилдөө өтө маанилүү. Толкун узундугу боюнча классификациялоо аттосекунддук лазерлерди негизинен ультрафиолеттен жумшак рентген жыштыктарына чейинки диапазонго жайгаштырат, бул алардын кадимки лазерлерге салыштырмалуу бир топ кыска толкун узундуктарын билдирет. Чыгаруу режимдери боюнча аттосекунддук лазерлер импульстук лазерлердин категориясына кирет, алар импульстун өтө кыска узактыгы менен мүнөздөлөт. Түшүнүктүү болушу үчүн, үзгүлтүксүз толкундуу лазерлерди үзгүлтүксүз жарык нурун чыгарган фонарьга окшоштурууга болот, ал эми импульстук лазерлер жарык жана караңгылык мезгилдеринин ортосунда тез алмашып турган стробоскопиялык жарыкка окшош. Негизинен, аттосекунддук лазерлер жарык жана караңгылыктын ичинде пульсациялык жүрүм-турумду көрсөтөт, бирок алардын эки абалдын ортосундагы өтүшү таң калыштуу жыштыкта ​​​​болуп, аттосекунддар чөйрөсүнө жетет.

Кубаттуулук боюнча андан ары классификациялоо лазерлерди аз кубаттуулуктагы, орто кубаттуулуктагы жана жогорку кубаттуулуктагы топторго бөлөт. Аттосекунддук лазерлер өтө кыска импульс узактыгынан улам жогорку чоку кубаттуулугуна жетишет, натыйжада чоку кубаттуулугу (P) айкын болот – убакыт бирдигине энергиянын интенсивдүүлүгү катары аныкталат (P=W/t). Жеке аттосекунддук лазер импульстары өтө чоң энергияга (W) ээ болбошу мүмкүн болсо да, алардын кыскартылган убакыт аралыгы (t) аларга жогорку чоку кубаттуулугун берет.

Колдонуу чөйрөлөрү боюнча, лазерлер өнөр жайлык, медициналык жана илимий колдонмолорду камтыган спектрди камтыйт. Аттосекунддук лазерлер, негизинен, илимий изилдөө чөйрөсүндө, айрыкча физика жана химия тармактарындагы тез өнүгүп жаткан кубулуштарды изилдөөдө өз ордун табат, бул микрокосмостук дүйнөнүн тез динамикалык процесстерине терезе сунуштайт.

Лазердик чөйрө боюнча категориялаштыруу лазерлерди газ лазерлери, катуу абалдагы лазерлер, суюк лазерлер жана жарым өткөргүч лазерлер деп бөлөт. Аттосекунддук лазерлерди түзүү, адатта, жогорку тартиптеги гармоникаларды пайда кылуу үчүн сызыктуу эмес оптикалык эффекттерди пайдалануу менен газ лазердик чөйрөсүнө байланыштуу.

Кыскасы, аттосекунддук лазерлер кыска импульстуу лазерлердин уникалдуу классын түзөт, алар адатта аттосекунддар менен өлчөнгөн өтө кыска импульс узактыгы менен айырмаланат. Натыйжада, алар атомдордун, молекулалардын жана катуу материалдардын ичиндеги электрондордун өтө тез динамикалык процесстерин байкоо жана башкаруу үчүн алмаштыргыс куралга айланды.

Аттосекунддук лазерди өндүрүүнүн татаал процесси

Аттосекунддук лазер технологиясы илимий инновациялардын алдыңкы сабында турат жана аны түзүү үчүн кызыктуу катаал шарттардын жыйындысы менен мактанат. Аттосекунддук лазерди түзүүнүн татаалдыктарын түшүндүрүү үчүн, биз анын негизги принциптерин кыскача баяндап берүүдөн баштайбыз, андан кийин күнүмдүк тажрыйбадан алынган жандуу метафоралар келтирилет. Тиешелүү физиканын татаалдыктарын билген окурмандар үмүтсүздүккө түшпөшү керек, анткени андан кийинки метафоралар аттосекунддук лазерлердин негизги физикасын жеткиликтүү кылууга багытталган.

Аттосекунддук лазерлерди генерациялоо процесси негизинен Жогорку Гармоникалык Генерация (ЖГГ) деп аталган ыкмага таянат. Биринчиден, жогорку интенсивдүүлүктөгү фемтосекунддук (10^-15 секунд) лазер импульстарынын нуру газ түрүндөгү бута материалына тыгыз фокусталат. Белгилей кетүүчү нерсе, аттосекунддук лазерлерге окшош фемтосекунддук лазерлер кыска импульс узактыгына жана жогорку чоку кубаттуулугуна ээ болуу мүнөздөмөлөрүнө ээ. Интенсивдүү лазер талаасынын таасири астында газ атомдорунун ичиндеги электрондор атом ядролорунан убактылуу бошонуп, убактылуу эркин электрондордун абалына өтөт. Бул электрондор лазер талаасына жооп катары термелип жатканда, алар акырында баштапкы атом ядролоруна кайтып келип, рекомбинацияланып, жаңы жогорку энергиялуу абалдарды түзүшөт.

Бул процессте электрондор өтө жогорку ылдамдыкта кыймылдашат жана атом ядролору менен рекомбинацияланганда, алар жогорку гармоникалык эмиссия түрүндө кошумча энергия бөлүп чыгарышат, бул жогорку энергиялуу фотондор катары көрүнөт.

Бул жаңы түзүлгөн жогорку энергиялуу фотондордун жыштыктары баштапкы лазер жыштыгынын бүтүн сан эселенген сандары болуп, жогорку тартиптеги гармоникалар деп аталат, мында "гармоникалар" баштапкы жыштыктын интегралдык эселенген сандары болгон жыштыктарды билдирет. Аттосекунддук лазерлерге жетүү үчүн, бул жогорку тартиптеги гармоникаларды чыпкалап жана фокустоо, белгилүү бир гармоникаларды тандап, аларды фокустук чекитке топтоо зарыл. Кааласаңыз, импульсту кысуу ыкмалары импульстун узактыгын андан ары кыскартып, аттосекунддук диапазондогу өтө кыска импульстарды бере алат. Көрүнүп тургандай, аттосекунддук лазерлерди түзүү жогорку деңгээлдеги техникалык чеберчиликти жана атайын жабдууларды талап кылган татаал жана көп кырдуу процессти түзөт.

Бул татаал процессти түшүндүрүү үчүн, биз күнүмдүк кырдаалдарга негизделген метафоралык параллелизмди сунуштайбыз:

Жогорку интенсивдүү фемтосекунддук лазердик импульстар:

Жогорку интенсивдүү фемтосекунддук лазер импульстары сыяктуу эле, таштарды заматта эбегейсиз ылдамдыкта ыргыта алган өзгөчө күчтүү катапультага ээ экениңизди элестетиңиз.

Газ түрүндөгү бута материалы:

Газ түрүндөгү бута материалын символдоштурган тынч суу объектисин элестетиңиз, мында ар бир тамчы сансыз газ атомдорун билдирет. Бул суу объектисине таштарды түртүү актысы газ түрүндөгү бута материалына жогорку интенсивдүү фемтосекунддук лазер импульстарынын таасирин окшоштурат.

Электрондордун кыймылы жана рекомбинациясы (физикалык жактан өткөөл деп аталат):

Фемтосекунддук лазердик импульстар газ түрүндөгү бута материалынын ичиндеги газ атомдоруна таасир эткенде, тышкы электрондордун бир топ саны убактылуу дүүлүккөн абалга келип, тиешелүү атом ядролорунан ажырап, плазма сыяктуу абалды пайда кылат. Кийинчерээк системанын энергиясы азайганда (лазердик импульстар өзүнөн өзү импульс болуп, токтоо интервалдары менен мүнөздөлгөндүктөн), бул тышкы электрондор атом ядролорунун жанына кайтып келип, жогорку энергиялуу фотондорду бөлүп чыгарышат.

Жогорку гармоникалык муун:

Элестетсеңиз, ар бир суу тамчысы көлдүн бетине кайра түшкөндө, ал аттосекунддук лазерлердеги жогорку гармоникалар сыяктуу толкундарды пайда кылат. Бул толкундардын жыштыктары жана амплитудалары баштапкы фемтосекунддук лазер импульсунан келип чыккан баштапкы толкундарга караганда жогору. HHG процессинде таштарды тынымсыз ыргытууга окшош күчтүү лазер нуру көлдүн бетине окшош газ бутасын жарыктандырат. Бул интенсивдүү лазер талаасы газдагы электрондорду толкундарга окшош түрдө алардын баштапкы атомдорунан алыстатып, андан кийин аларды артка тартат. Ар бир электрон атомго кайтып келгенде, ал татаал толкун үлгүлөрүнө окшош жогорку жыштыктагы жаңы лазер нурун чыгарат.

Фильтрлөө жана фокустоо:

Бул жаңы түзүлгөн лазер нурларынын баарын бириктирүү ар кандай түстөрдүн (жыштыктардын же толкун узундуктарынын) спектрин берет, алардын айрымдары аттосекунддук лазерди түзөт. Белгилүү бир толкун өлчөмдөрүн жана жыштыктарын бөлүп алуу үчүн, сиз каалаган толкундарды тандоо сыяктуу атайын чыпканы колдонуп, аларды белгилүү бир аймакка фокустоо үчүн чоңойтуучу айнекти колдонсоңуз болот.

Пульсту кысуу (зарыл болсо):

Эгер сиз толкундарды тезирээк жана кыскараак жайылтууну көздөсөңүз, анда атайын түзүлүштү колдонуп, алардын жайылышын тездетип, ар бир толкундун созулган убактысын кыскарта аласыз. Аттосекунддук лазерлерди түзүү процесстердин татаал өз ара аракеттенүүсүн камтыйт. Бирок, бөлүп-жарып жана визуалдаштырганда, ал түшүнүктүү болуп калат.