2023 жылдың 3 қазанында кешке аттосекундтық лазерлік технология саласында маңызды рөл атқарған үш ғалымның көрнекті үлестерін атап өту үшін 2023 жылғы физика бойынша Нобель сыйлығының иегері жарияланды.

«Аттосекундтық лазер» термині оның жұмыс істейтін өте қысқа уақыт шкаласынан, атап айтқанда, 10^-18 секундқа сәйкес келетін аттосекундтар ретімен шыққан. Бұл технологияның терең маңыздылығын түсіну үшін аттосекундтың нені білдіретінін түсіну өте маңызды. Аттосекунд өте минуттық уақыт бірлігі болып табылады, ол бір секундтың кеңірек контекстінде секундтың миллиардтан бір бөлігін құрайды. Мұны түсінікті ету үшін, егер біз секундты биік тауға теңестірсек, аттосекунд таудың етегінде орналасқан бір ғана құм түйіріне ұқсар еді. Бұл өткінші уақыт аралығында тіпті жарық та жеке атомның өлшеміне тең қашықтықты әрең жүріп өте алады. Аттосекундтық лазерлерді пайдалану арқылы ғалымдар атомдық құрылымдардағы электрондардың күрделі динамикасын мұқият зерттеу және басқару үшін бұрын-соңды болмаған мүмкіндікке ие болады, бұл кинематографиялық тізбектегі кадр бойынша баяу қозғалысты қайталауға ұқсайды, осылайша олардың өзара әрекеттесуіне терең үңіледі.

Аттосекундтық лазерлерғалымдардың кең ауқымды зерттеулері мен бірлескен күш-жігерінің шарықтау шегі болып табылады, олар сызықтық емес оптика принциптерін ультражылдам лазерлерді жасау үшін пайдаланды. Олардың пайда болуы бізге қатты материалдардағы атомдар, молекулалар және тіпті электрондар ішінде жүретін динамикалық процестерді бақылау және зерттеу үшін инновациялық мүмкіндік берді.

Аттосекундтық лазерлердің табиғатын түсіндіру және олардың дәстүрлі лазерлермен салыстырғандағы дәстүрлі емес қасиеттерін бағалау үшін олардың кеңірек «лазерлік отбасы» шеңберіндегі жіктелуін зерттеу өте маңызды. Толқын ұзындығы бойынша жіктеу аттосекундтық лазерлерді негізінен ультракүлгіннен жұмсақ рентгендік жиіліктерге дейінгі диапазонға орналастырады, бұл олардың дәстүрлі лазерлермен салыстырғанда айтарлықтай қысқа толқын ұзындықтарын білдіреді. Шығыс режимдері тұрғысынан аттосекундтық лазерлер импульстік лазерлер санатына жатады, олар импульстік ұзақтығы өте қысқа. Анықтық үшін ұқсастық келтіру үшін үздіксіз толқындық лазерлерді үздіксіз жарық сәулесін шығаратын фонарьға ұқсайды, ал импульстік лазерлер жарық пен қараңғылық кезеңдерінің арасында тез ауысып отыратын стробоскопиялық жарыққа ұқсайды. Негізінде, аттосекундтық лазерлер жарық пен қараңғылық ішінде пульсациялық мінез-құлық көрсетеді, бірақ олардың екі күй арасындағы ауысуы таңғажайып жиілікте жүреді, аттосекундтар әлеміне жетеді.

Қуат бойынша одан әрі жіктеу лазерлерді төмен қуатты, орташа қуатты және жоғары қуатты кронштейндерге орналастырады. Аттосекундтық лазерлер өте қысқа импульс ұзақтығына байланысты жоғары шың қуатына жетеді, нәтижесінде айқын шың қуаты (P) пайда болады – уақыт бірлігіндегі энергия қарқындылығы ретінде анықталады (P=W/t). Жеке аттосекундтық лазер импульстері өте үлкен энергияға (W) ие болмауы мүмкін болса да, олардың қысқартылған уақыттық ұзақтығы (t) оларға жоғары шың қуатын береді.

Қолдану салалары тұрғысынан лазерлер өнеркәсіптік, медициналық және ғылыми қолданбаларды қамтитын спектрді қамтиды. Аттосекундтық лазерлер негізінен ғылыми зерттеулер саласында, әсіресе физика мен химия салаларындағы тез дамып келе жатқан құбылыстарды зерттеуде өз орнын табады, бұл микрокосмикалық әлемдегі жылдам динамикалық процестерге терезе ашады.

Лазерлік орта бойынша жіктеу лазерлерді газ лазерлері, қатты денелі лазерлер, сұйық лазерлер және жартылай өткізгіш лазерлер деп бөледі. Аттосекундтық лазерлердің генерациясы әдетте газ лазерлік ортаға байланысты, жоғары ретті гармоникаларды тудыру үшін сызықтық емес оптикалық эффектілерді пайдаланады.

Қорытындылай келе, аттосекундтық лазерлер қысқа импульсті лазерлердің ерекше класын құрайды, олар әдетте аттосекундтармен өлшенетін өте қысқа импульс ұзақтығымен ерекшеленеді. Нәтижесінде, олар атомдардағы, молекулалардағы және қатты материалдардағы электрондардың аса жылдам динамикалық процестерін бақылау және басқару үшін таптырмас құралға айналды.

Аттосекундтық лазерді генерациялаудың күрделі процесі

Аттосекундтық лазерлік технология ғылыми инновациялардың алдыңғы қатарында тұр, оны жасау үшін өте қатаң шарттар жиынтығымен мақтана алады. Аттосекундтық лазерлік генерацияның қыр-сырын түсіндіру үшін біз оның негізгі қағидаларын қысқаша түсіндіруден бастаймыз, содан кейін күнделікті тәжірибеден алынған айқын метафоралар келтіреміз. Тиісті физиканың қыр-сырын білетін оқырмандар үмітсіздікке бой алдырмауы керек, себебі кейінгі метафоралар аттосекундтық лазерлердің негізгі физикасын қолжетімді етуге бағытталған.

Аттосекундтық лазерлерді генерациялау процесі негізінен Жоғары гармоникалық генерация (ЖГГ) деп аталатын әдіске негізделген. Біріншіден, жоғары қарқынды фемтосекундтық (10^-15 секунд) лазер импульстарының сәулесі газ тәрізді нысана материалына тығыз бағытталған. Аттосекундтық лазерлерге ұқсас фемтосекундтық лазерлер қысқа импульс ұзақтығы мен жоғары шың қуатына ие болу сипаттамаларына ие екенін атап өткен жөн. Қарқынды лазер өрісінің әсерінен газ атомдарының ішіндегі электрондар атом ядроларынан уақытша босатылып, уақытша бос электрондар күйіне енеді. Бұл электрондар лазер өрісіне жауап ретінде тербелген кезде, олар ақырында өздерінің бастапқы атом ядроларына оралып, қайта бірігеді, бұл жаңа жоғары энергиялы күйлерді жасайды.

Бұл процесс кезінде электрондар өте жоғары жылдамдықпен қозғалады және атом ядроларымен рекомбинацияланған кезде олар жоғары энергиялы фотондар түрінде көрінетін жоғары гармоникалық сәулеленулер түрінде қосымша энергия бөледі.

Бұл жаңадан жасалған жоғары энергиялы фотондардың жиіліктері бастапқы лазер жиілігінің бүтін сандық еселіктері болып табылады, бұл жоғары ретті гармоникалар деп аталатынды құрайды, мұндағы «гармоникалар» бастапқы жиіліктің интегралдық еселіктері болып табылатын жиіліктерді білдіреді. Аттосекундтық лазерлерге қол жеткізу үшін осы жоғары ретті гармоникаларды сүзіп, фокустау, нақты гармоникаларды таңдап, оларды фокустық нүктеге шоғырландыру қажет болады. Қажет болса, импульсті қысу әдістері импульс ұзақтығын одан әрі қысқарта алады, бұл аттосекундтық диапазондағы ультра қысқа импульстарды береді. Аттосекундтық лазерлерді генерациялау жоғары деңгейдегі техникалық шеберлік пен мамандандырылған жабдықты қажет ететін күрделі және көп қырлы процесс екені анық.

Бұл күрделі процесті түсіну үшін біз күнделікті жағдайларға негізделген метафоралық параллельді ұсынамыз:

Жоғары қарқынды фемтосекундтық лазерлік импульстар:

Жоғары қарқынды фемтосекундтық лазер импульстарының рөліне ұқсас, тастарды лезде үлкен жылдамдықпен лақтыра алатын ерекше қуатты катапультаға ие болуды елестетіп көріңіз.

Газ тәрізді нысана материалы:

Газ тәрізді нысана материалын бейнелейтін тыныш су айдынын елестетіп көріңіз, мұндағы әрбір су тамшысы сансыз газ атомдарын білдіреді. Тастарды осы су айдынына лақтыру әрекеті жоғары қарқынды фемтосекундтық лазер импульстарының газ тәрізді нысана материалына әсерін ұқсас түрде көрсетеді.

Электрон қозғалысы және рекомбинация (физикалық түрде өтпелі деп аталады):

Фемтосекундтық лазерлік импульстар газ тәрізді нысана материалындағы газ атомдарына әсер еткенде, сыртқы электрондардың едәуір бөлігі өздерінің тиісті атом ядроларынан ажырайтын күйге дейін уақытша қозып, плазма тәрізді күйді құрайды. Жүйенің энергиясы кейіннен азайған сайын (лазерлік импульстар өзіндік импульсті болғандықтан, тоқтау аралықтары бар), бұл сыртқы электрондар атом ядроларының маңына оралып, жоғары энергиялы фотондарды шығарады.

Жоғары гармоникалық генерация:

Су тамшысы көл бетіне қайта түскен сайын, аттосекундтық лазерлердегі жоғары гармоникаларға ұқсас толқындар пайда болатынын елестетіп көріңізші. Бұл толқындардың алғашқы фемтосекундтық лазер импульсінен туындаған бастапқы толқындарға қарағанда жиіліктері мен амплитудалары жоғары. HHG процесі кезінде тастарды үздіксіз лақтыруға ұқсас қуатты лазер сәулесі көл бетіне ұқсас газ нысанасын жарықтандырады. Бұл қарқынды лазер өрісі газдағы электрондарды, толқындарға ұқсас, олардың бастапқы атомдарынан алыстатады, содан кейін оларды кері тартады. Электрон атомға қайта оралған сайын, ол күрделі толқындық үлгілерге ұқсас жоғары жиіліктегі жаңа лазер сәулесін шығарады.

Сүзу және фокустау:

Осы жаңадан жасалған лазер сәулелерінің барлығын біріктіру әртүрлі түстердің (жиіліктердің немесе толқын ұзындықтарының) спектрін береді, олардың кейбіреулері аттосекундтық лазерді құрайды. Белгілі бір толқын өлшемдері мен жиіліктерін бөлу үшін сіз қажетті толқындарды таңдау сияқты мамандандырылған сүзгіні қолдана аласыз және оларды белгілі бір аймаққа фокустау үшін үлкейткіш әйнекті пайдалана аласыз.

Импульстік қысу (қажет болған жағдайда):

Егер сіз толқындарды тезірек және қысқарақ таратуды мақсат етсеңіз, олардың таралуын арнайы құрылғыны пайдаланып жеделдете аласыз, бұл әрбір толқынның созылу уақытын қысқартады. Аттосекундтық лазерлерді генерациялау процестердің күрделі өзара әрекеттесуін қамтиды. Дегенмен, бөлшектелген және визуализацияланған кезде, ол түсінікті болады.