2023 жылдың 3 қазанында кешке маңызды хабарландыруда 2023 жылғы физика бойынша Нобель сыйлығының ашылуы аттосекундтық лазерлік технология саласында ізашарлар ретінде маңызды рөл атқарған үш ғалымның көрнекті үлестерін мойындады.

«Аттосекундтық лазер» термині өз атауын 10^-18 секундқа сәйкес келетін аттосекундтар ретімен жұмыс істейтін керемет қысқа уақыт шкаласына байланысты алады. Бұл технологияның терең мәнін түсіну үшін аттосекундтың нені білдіретінін түбегейлі түсіну маңызды. Аттосекунд бір секундтың кең контекстінде секундтың миллиардтан бір миллиардтан бірін құрайтын өте минуттық уақыт бірлігі ретінде тұрады. Егер бір секундты биік тауға ұқсататын болсақ, аттосекунд таудың етегінде орналасқан бір ғана құм түйіріне ұқсайды. Бұл өткінші уақытша интервалда тіпті жарық жеке атомның өлшеміне тең қашықтықты әрең басып өте алады. Аттосекундтық лазерлерді қолдану арқылы ғалымдар атомдық құрылымдардағы электрондардың күрделі динамикасын зерттеу және басқару үшін бұрын-соңды болмаған мүмкіндікке ие болады, бұл кинематографиялық реттілікте кадр бойынша баяу қозғалысты қайталау сияқты, осылайша олардың өзара әрекетін зерттейді.

Аттосекундтық лазерлерультра жылдам лазерлерді жасау үшін сызықты емес оптика принциптерін пайдаланған ғалымдардың ауқымды зерттеулері мен келісілген күш-жігерінің шыңы болып табылады. Олардың пайда болуы бізге қатты материалдардағы атомдар, молекулалар және тіпті электрондардағы динамикалық процестерді бақылау және зерттеу үшін инновациялық мүмкіндік берді.

Кәдімгі лазерлермен салыстырғанда аттосекундтық лазерлердің табиғатын түсіндіру және олардың дәстүрлі емес атрибуттарын бағалау үшін олардың кеңірек «лазерлік отбасында» жіктелуін зерттеу қажет. Толқын ұзындығы бойынша жіктеу аттосекундтық лазерлерді негізінен ультракүлгін және жұмсақ рентгендік жиіліктер диапазонында орналастырады, бұл кәдімгі лазерлерден айырмашылығы олардың айтарлықтай қысқа толқын ұзындығын білдіреді. Шығу режимдері бойынша аттосекундтық лазерлер импульстік лазерлер санатына жатады, олардың өте қысқа импульс ұзақтығымен сипатталады. Түсінікті болу үшін ұқсастықты келтіру үшін үздіксіз толқынды лазерлерді үздіксіз жарық сәулесін шығаратын фонарь сияқты елестетуге болады, ал импульстік лазерлер жарықтандыру және қараңғылық кезеңдері арасында жылдам ауысатын стробтық жарығына ұқсайды. Негізінде, аттосекундтық лазерлер жарық пен қараңғылықта пульсирленген мінез-құлық көрсетеді, бірақ олардың екі күй арасындағы ауысуы таңғаларлық жиілікте өтіп, аттосекундтар саласына жетеді.

Қуаты бойынша әрі қарай жіктеу лазерлерді төмен қуатты, орташа қуатты және жоғары қуатты жақшаға бөледі. Аттосекундтық лазерлер өте қысқа импульс ұзақтығының арқасында жоғары шыңдық қуатқа жетеді, нәтижесінде белгілі бір шыңдық қуат (P) – уақыт бірлігіндегі энергия қарқындылығы (P=W/t) ретінде анықталады. Жеке аттосекундтық лазерлік импульстар ерекше үлкен энергияға (Вт) ие болмаса да, олардың қысқартылған уақытша мөлшері (t) оларға жоғары қуат береді.

Қолдану салаларына келетін болсақ, лазерлер өнеркәсіптік, медициналық және ғылыми қолданбаларды қамтитын спектрді қамтиды. Аттосекундтық лазерлер ең алдымен ғылыми зерттеулер саласында өз орнын табады, әсіресе физика және химия салаларындағы жылдам дамып жатқан құбылыстарды зерттеуде, микроғарыштық әлемнің жылдам динамикалық процестеріне терезе ұсынады.

Лазерлік орта бойынша жіктеу лазерлерді газ лазерлері, қатты күйдегі лазерлер, сұйық лазерлер және жартылай өткізгіш лазерлер ретінде ажыратады. Аттосекундтық лазерлердің генерациясы әдетте жоғары ретті гармоникаларды тудыру үшін сызықты емес оптикалық әсерлерді пайдалана отырып, газ лазерлік ортасына байланысты.

Қорытындылай келе, аттосекундтық лазерлер әдетте аттосекундтармен өлшенетін өте қысқа импульс ұзақтығымен ерекшеленетін қысқа импульстік лазерлердің бірегей класын құрайды. Нәтижесінде олар атомдардағы, молекулалардағы және қатты материалдардағы электрондардың ультра жылдам динамикалық процестерін бақылау және бақылау үшін таптырмас құралға айналды.

Аттосекундтық лазерді генерациялаудың күрделі процесі

Attosecond лазерлік технологиясы ғылыми инновациялардың алдыңғы қатарында тұр және оны жасау үшін өте қатаң шарттар жиынтығымен мақтана алады. Аттосекундтық лазерлік генерацияның қыр-сырын түсіндіру үшін біз оның негізгі принциптерін қысқаша көрсетуден бастаймыз, содан кейін күнделікті тәжірибеден алынған жарқын метафоралар. Тиісті физиканың қыр-сырын меңгерген оқырмандар үмітсіздікке ұшырамауы керек, өйткені келесі метафоралар аттосекундтық лазерлердің негізгі физикасын қол жетімді етуді мақсат етеді.

Аттосекундтық лазерлердің генерациялау процесі, ең алдымен, жоғары гармоникалық генерация (HHG) деп аталатын техникаға негізделген. Біріншіден, жоғары қарқынды фемтосекундтық (10^-15 секунд) лазерлік импульстар сәулесі газ тәрізді нысанаға тығыз бағытталған. Айта кетейік, аттосекундтық лазерлерге ұқсас фемтосекундтық лазерлер импульстің қысқа ұзақтығы мен жоғары шыңдық қуатына ие сипаттамалармен бөліседі. Қарқынды лазер өрісінің әсерінен газ атомдарының ішіндегі электрондар уақытша бос электрондар күйіне өтіп, атом ядроларынан бір сәтке босатылады. Бұл электрондар лазер өрісіне жауап ретінде тербелгенде, олар ақырында өздерінің негізгі атомдық ядроларына оралып, олармен қайта қосылып, жаңа жоғары энергиялық күйлер жасайды.

Бұл процесс кезінде электрондар өте жоғары жылдамдықпен қозғалады және атом ядроларымен рекомбинацияланғаннан кейін олар жоғары энергиялы фотондар ретінде көрінетін жоғары гармоникалық эмиссиялар түрінде қосымша энергияны шығарады.

Осы жаңадан жасалған жоғары энергиялы фотондардың жиіліктері бастапқы лазер жиілігінің бүтін еселіктері болып табылады, олар жоғары ретті гармоника деп аталатын нәрсені құрайды, мұнда «гармоника» бастапқы жиіліктің интегралды еселігі болып табылатын жиіліктерді білдіреді. Аттосекундтық лазерлерге қол жеткізу үшін осы жоғары ретті гармоникаларды сүзгілеу және фокустау, арнайы гармоникаларды таңдап, оларды фокустық нүктеге шоғырландыру қажет болады. Қажет болса, импульсті қысу әдістері импульс ұзақтығын одан әрі қысқартып, аттосекунд диапазонында өте қысқа импульстарды береді. Аттосекундтық лазерлерді генерациялау техникалық шеберлік пен арнайы жабдықты талап ететін күрделі және көп қырлы процесті құрайтыны анық.

Бұл күрделі процесті ашу үшін біз күнделікті сценарийлерге негізделген метафоралық параллельді ұсынамыз:

Жоғары қарқынды фемтосекундтық лазерлік импульстар:

Жоғары қарқынды фемтосекундтық лазерлік импульстар ойнайтын рөлге ұқсас тастарды орасан зор жылдамдықпен лақтыра алатын ерекше күшті катапультқа ие болыңыз.

Газ тәрізді мақсатты материал:

Әрбір су тамшысы сансыз газ атомдарын бейнелейтін газ тәрізді нысананы бейнелейтін тыныш су айдынын елестетіңіз. Осы су қоймасына тастарды айдау әрекеті жоғары қарқынды фемтосекундтық лазерлік импульстердің газ тәрізді нысанаға әсер етуін көрсетеді.

Электрондық қозғалыс және рекомбинация (физикалық терминді ауысу):

Фемтосекундтық лазерлік импульстар газ тәрізді нысана материалының ішіндегі газ атомдарына әсер еткенде, сыртқы электрондардың едәуір саны плазма тәрізді күйді құра отырып, тиісті атом ядроларынан ажырайтын күйге бір сәт қоздырады. Жүйенің энергиясы кейіннен азайған сайын (лазерлік импульстар өздігінен импульсті болғандықтан, тоқтау аралықтары бар), бұл сыртқы электрондар атом ядроларының маңайына оралып, жоғары энергиялы фотондарды шығарады.

Жоғары гармоникалық генерация:

Елестетіп көріңізші, су тамшысы көл бетіне қайта түскен сайын, ол аттосекундтық лазерлердегі жоғары гармоника сияқты толқындар жасайды. Бұл толқындар бастапқы фемтосекундтық лазер импульсінен туындаған бастапқы толқындарға қарағанда жоғары жиіліктер мен амплитудаларға ие. HHG процесі кезінде үздіксіз лақтыратын тастарға ұқсайтын қуатты лазер сәулесі көл бетіне ұқсайтын газ нысанасын жарықтандырады. Бұл қарқынды лазер өрісі газдағы электрондарды толқындарға ұқсас, олардың ата-аналық атомдарынан алыстатады, содан кейін оларды кері тартады. Электрон атомға қайта оралған сайын, ол күрделі толқындық үлгілерге ұқсас, жоғары жиіліктегі жаңа лазер сәулесін шығарады.

Сүзгілеу және фокустау:

Барлық осы жаңадан жасалған лазер сәулелерін біріктіру әртүрлі түстердің спектрін (жиілік немесе толқын ұзындығы) береді, олардың кейбіреулері аттосекундтық лазерді құрайды. Белгілі бір толқындық өлшемдер мен жиіліктерді оқшаулау үшін сіз қалаған толқындарды таңдауға ұқсас арнайы сүзгіні пайдалана аласыз және оларды белгілі бір аймаққа фокустау үшін үлкейткіш әйнекті пайдалана аласыз.

Импульстік қысу (қажет болса):

Егер сіз толқындарды тезірек және қысқарақ таратуды мақсат етсеңіз, әр толқынның ұзақтығын қысқарта отырып, мамандандырылған құрылғының көмегімен олардың таралуын тездетуге болады. Аттосекундтық лазерлердің генерациясы процестердің күрделі өзара әрекетін қамтиды. Дегенмен, бөлшектеп, көзбен көргенде түсінікті болады.