Дар як эълони муҳим дар шоми 3 октябри соли 2023 Ҷоизаи Нобел дар соҳаи физика барои соли 2023 муаррифӣ шуд, ки саҳми барҷастаи се олимро эътироф кард, ки ҳамчун пешрав дар соҳаи технологияи лазерии аттосекунд нақши муҳим бозидаанд.

Истилоҳи "лазери аттосекунд" номи худро аз ҷадвали бениҳоят кӯтоҳе, ки дар он амал мекунад, гирифта шудааст, махсусан бо тартиби аттосекундҳо, ки ба 10^-18 сония мувофиқ аст. Барои фаҳмидани аҳамияти амиқи ин технология, фаҳмиши бунёдии он, ки аттосекунд чӣ маъно дорад, муҳим аст. Аттосония ҳамчун воҳиди бениҳоят дақиқаии вақт аст, ки дар доираи васеътари як сония як миллиарду як миллиарду як сонияро ташкил медиҳад. Барои ба назар гирифтан ба ин, агар мо як сонияро ба кӯҳи баланде монанд кунем, аттосония ба як дона реги дар пояи кӯҳ ҷойгиршуда монанд хоҳад буд. Дар ин фосилаи зудгузари муваққатӣ ҳатто нур масофаеро, ки ба андозаи як атоми алоҳида баробар аст, базӯр тай карда метавонад. Тавассути истифодаи лазерҳои аттосекунд, олимон қобилияти бесобиқаро барои тафтиш ва коркарди динамикаи печидаи электронҳо дар дохили сохторҳои атомӣ ба даст меоранд, ки ба такрори оҳиста-оҳиста дар пайдарпаии кинематикӣ монанданд ва ба ин васила ба мутақобилаи онҳо шинос мешаванд.

Лазерҳои аттосекундНатиҷаи тадқиқоти васеъ ва кӯшишҳои якҷояи олимон, ки принсипҳои оптикаи ғайрихаттӣ барои сохтани лазерҳои ултрасуръатро истифода кардаанд, ифода мекунад. Пайдоиши онҳо ба мо барои мушоҳида ва таҳқиқи равандҳои динамикӣ, ки дар дохили атомҳо, молекулаҳо ва ҳатто электронҳо дар маводи сахт ҷараён доранд, як нуқтаи навоварона фароҳам овард.

Барои равшан кардани табиати лазерҳои аттосекунд ва қадр кардани хусусиятҳои ғайримуқаррарии онҳо дар муқоиса бо лазерҳои муқаррарӣ, омӯхтани гурӯҳбандии онҳо дар доираи васеътари "оилаи лазерӣ" муҳим аст. Тасниф аз рӯи дарозии мавҷ лазерҳои аттосекундро асосан дар доираи диапазони ултрабунафш то басомадҳои рентгении нарм ҷойгир мекунанд, ки дар муқоиса бо лазерҳои муқаррарӣ дарозии мавҷҳои хеле кӯтоҳтари онҳоро ифода мекунад. Аз рӯи намуди баромад, лазерҳои аттосекунд ба категорияи лазерҳои импулс дохил мешаванд, ки бо давомнокии хеле кӯтоҳи набзи онҳо тавсиф мешаванд. Барои возеҳият мисол овардан мумкин аст, ки лазерҳои мавҷи давомдорро ҳамчун дурахши дурахшандае, ки шуои доимии рӯшноӣ мебароранд, тасаввур кардан мумкин аст, дар ҳоле ки лазерҳои импулсӣ ба нури строб шабоҳат доранд, ки дар байни давраҳои равшанӣ ва торикӣ зуд иваз мешаванд. Аслан, лазерҳои аттосекунд дар дохили рӯшноӣ ва торикӣ рафтори пулсатсия нишон медиҳанд, аммо гузариши онҳо байни ин ду ҳолат бо басомади ҳайратангез сурат мегирад ва ба қаламрави аттосекундҳо мерасад.

Гурӯҳбандии минбаъда аз рӯи қувва лазерҳоро ба қавсҳои камиқтидор, миёнақувват ва баландқудрат ҷойгир мекунад. Лазерҳои аттосекунд бо сабаби давомнокии бениҳоят кӯтоҳи набзи худ қудрати баландтаринро ба даст меоранд, ки дар натиҷа қудрати баландтарин (P) - ҳамчун шиддатнокии энергия дар як воҳиди вақт муайян карда мешавад (P=W/t). Ҳарчанд импулсҳои лазерии аттосекундии инфиродӣ дорои энергияи фавқуллода калон (Вт) набошанд, дараҷаи мухтасари муваққатии онҳо (t) ба онҳо қудрати баландтарин медиҳад.

Дар робита ба соҳаҳои татбиқ, лазерҳо як спектрро дар бар мегиранд, ки барномаҳои саноатӣ, тиббӣ ва илмиро дар бар мегиранд. Лазерҳои аттосекунд пеш аз ҳама дар доираи тадқиқоти илмӣ ҷойгоҳи худро пайдо мекунанд, бахусус дар таҳқиқи падидаҳои босуръат инкишофёбанда дар соҳаи физика ва химия, равзанаи равандҳои босуръати динамикии ҷаҳони микрокосмикиро пешкаш мекунанд.

Гурӯҳбандӣ аз рӯи муҳити лазерӣ лазерҳоро ҳамчун лазерҳои газӣ, лазерҳои ҳолати сахт, лазерҳои моеъ ва лазерҳои нимноқил ҷудо мекунад. Насли лазерҳои аттосекунд одатан ба васоити лазерии газ вобаста аст ва аз эффектҳои оптикии ғайрихаттӣ истифода бурда, гармоникаи баландтартибро ба вуҷуд меорад.

Дар ҷамъбаст, лазерҳои аттосекунд як синфи беназири лазерҳои набзи кӯтоҳро ташкил медиҳанд, ки бо давомнокии набзи фавқулода кӯтоҳи худ, ки маъмулан бо аттосекундҳо чен карда мешаванд, фарқ мекунанд. Дар натиҷа, онҳо барои мушоҳида ва назорати равандҳои динамикии ултрасуръати электронҳо дар дохили атомҳо, молекулаҳо ва маводи сахт ба асбобҳои зарурӣ табдил ёфтанд.

Раванди мукаммали тавлиди лазерии аттосекунд

Технологияи лазерии Attosecond дар сафи пеши навовариҳои илмӣ қарор дорад, ки бо маҷмӯи шартҳои ҷолиб барои насли он фахр мекунад. Барои равшан кардани нозукиҳои насли лазерии аттосекунд, мо бо шарҳи мухтасари принсипҳои асосии он оғоз мекунем ва пас аз он метафораҳои равшане, ки аз таҷрибаи ҳаррӯза гирифта шудаанд, оғоз мекунем. Хонандагоне, ки аз нозукиҳои физикаи дахлдор огоҳ нестанд, набояд ноумед шаванд, зеро метафораҳои минбаъда ҳадафи дастрас кардани физикаи бунёдии лазерҳои аттосекунд мебошанд.

Раванди тавлиди лазерҳои аттосекунд пеш аз ҳама ба техникае, ки бо номи тавлиди гармониҳои баланд (HHG) маъруф аст, такя мекунад. Аввалан, нури импулсҳои лазерии фемтосекунди шадид (10^-15 сония) ба маводи мавриди ҳадафи газӣ мутамарказ карда мешавад. Қобили зикр аст, ки лазерҳои фемтосекунд, ки ба лазерҳои аттосекунд монанданд, хусусиятҳои доштани давомнокии набзи кӯтоҳ ва қудрати баландро доранд. Дар зери таъсири майдони пуршиддати лазерӣ электронҳо дар дохили атомҳои газ як лаҳза аз ядроҳои атомии худ озод шуда, муваққатан ба ҳолати электронҳои озод дохил мешаванд. Вақте ки ин электронҳо дар посух ба майдони лазерӣ меларзад, онҳо дар ниҳоят ба ядроҳои атомии волидайни худ бармегарданд ва бо ҳам пайваст мешаванд ва ҳолати нави энергияи баландро ба вуҷуд меоранд.

Дар ин процесс электронхо бо суръати нихоят баланд харакат мекунанд ва хангоми рекомбинатсия бо ядрохои атом энергияи иловагиро дар шакли партовхои гармоникии баланд мебароранд, ки хамчун фотонхои энергияи баланд зохир мешаванд.

Басомадҳои ин фотонҳои баландэнергетикии нав тавлидшуда зарбҳои бутуни басомади аслии лазерӣ мебошанд, ки онро гармоникаи баландтартиб меноманд, ки дар он "гармоника" басомадҳоро ифода мекунад, ки зарбҳои интегралии басомади аслӣ мебошанд. Барои ноил шудан ба лазерҳои аттосекунд, филтр ва фокус кардани ин гармоникаи баландтартиб, интихоб кардани гармоникаҳои мушаххас ва мутамарказ кардани онҳо ба як нуқтаи фокус зарур аст. Агар хоҳед, усулҳои фишурдани набз метавонанд минбаъд давомнокии набзро кӯтоҳ кунанд ва импулсҳои ултра-кӯтоҳро дар диапазони аттосекунд ба даст оранд. Аз афташ, тавлиди лазерҳои аттосекунд як раванди мураккаб ва бисёрҷанбаро ташкил медиҳад, ки сатҳи баланди маҳорати техникӣ ва таҷҳизоти махсусро талаб мекунад.

Барои ошкор кардани ин раванди мураккаб, мо як параллели метафориро пешниҳод мекунем, ки дар сенарияҳои ҳаррӯза асос ёфтааст:

Импульсҳои лазерии фемтосекундии баландшиддат:

Тасаввур кунед, ки як катапулти бениҳоят пурқуввате, ки қодир аст якбора сангҳоро бо суръати азим партояд, ба нақшест, ки импулсҳои лазерии фемтосония шиддаташ баланд дорад.

Маводи мақсадноки газ:

Ҳаҷми ороми обро тасаввур кунед, ки рамзи маводи ҳадафии газӣ мебошад, ки дар он ҳар як қатра об атомҳои бешумори газро ифода мекунад. Амали пешбурди сангҳо ба ин обанбор ба ҳамин монанд таъсири импулсҳои лазерии пуршиддати фемтосонияро ба маводи мавриди ҳадафи газӣ инъикос мекунад.

Ҳаракати электронҳо ва рекомбинатсия (гузариши физикӣ):

Вақте ки импулсҳои лазерии фемтосония ба атомҳои газ дар дохили маводи мавриди ҳадафи газӣ таъсир мерасонанд, шумораи зиёди электронҳои беруна лаҳзае ба ҳолате ҳаяҷон мекунанд, ки онҳо аз ядроҳои атомии худ ҷудо мешаванд ва ҳолати плазма монандро ташкил медиҳанд. Вақте ки энергияи система баъдан коҳиш меёбад (азбаски импулсҳои лазерӣ табиатан импулс мебошанд ва фосилаҳои қатъиро доранд), ин электронҳои беруна ба наздикии ядроҳои атомӣ бармегарданд ва фотонҳои энергияи баландро ҷудо мекунанд.

Насли гармоникаи баланд:

Тасаввур кунед, ки ҳар дафъае, ки қатраҳои об ба сатҳи кӯл бармегарданд, он мавҷҳоро ба вуҷуд меорад, ки мисли гармоникаи баланд дар лазерҳои аттосекунд. Ин мавҷҳо нисбат ба мавҷҳои аслӣ, ки дар натиҷаи набзи лазерии ибтидоии фемтосекунд ба вуҷуд омадаанд, басомадҳо ва амплитудаҳои баландтар доранд. Дар ҷараёни HHG, нури пурқуввати лазерӣ, ки ба пайваста партофтани сангҳо монанд аст, ҳадафи газро равшан мекунад, ки ба сатҳи кул шабоҳат дорад. Ин майдони пуршиддати лазерӣ электронҳоро дар газ, ки ба мавҷҳо монанд аст, аз атомҳои волидайн дур мекунад ва сипас онҳоро ба ақиб мекашад. Ҳар дафъае, ки электрон ба атом бармегардад, он нури лазерии навро бо басомади баландтар мебарорад, ки ба намунаҳои мураккабтари мавҷи мавҷ монанд аст.

Филтр ва Фокус:

Якҷоя кардани ҳамаи ин шуоъҳои лазерии нав тавлидшуда спектри рангҳои гуногунро (басомадҳо ё дарозии мавҷҳо) ба даст меоранд, ки баъзеи онҳо лазери аттосекундро ташкил медиҳанд. Барои ҷудо кардани андозаҳо ва басомадҳои мушаххаси мавҷҳо, шумо метавонед як филтри махсусро, ки ба интихоби мавҷҳои дилхоҳ монанд аст, истифода баред ва шишаи калонро истифода баред, то онҳоро ба як минтақаи мушаххас равона созед.

Фишурдани импулс (агар лозим бошад):

Агар шумо мақсад доред, ки мавҷҳоро тезтар ва кӯтоҳтар паҳн кунед, шумо метавонед паҳншавии онҳоро бо истифода аз дастгоҳи махсус суръат бахшед ва вақти давомнокии ҳар як мавҷро кам кунед. Насли лазерҳои аттосекунд таъсири мутақобилаи мураккаби равандҳоро дар бар мегирад. Аммо, вақте ки шикаста ва визуалӣ мешавад, он бештар фаҳмо мешавад.