Дар як эълони муҳими шоми 3 октябри соли 2023, ҷоизаи Нобел дар соҳаи физика барои соли 2023 муаррифӣ шуд, ки дар он саҳми барҷастаи се олими пешрав дар соҳаи технологияи лазерии аттосония эътироф шудааст.

Истилоҳи "лазери аттосония" номи худро аз миқёси хеле кӯтоҳи вақт, ки он дар он кор мекунад, бахусус бо тартиби аттосонияҳо, ки ба 10^-18 сония мувофиқат мекунад, гирифтааст. Барои дарки аҳамияти амиқи ин технология, фаҳмиши асосии он чизе, ки аттосония маъно дорад, муҳим аст. Аттосония ҳамчун як воҳиди хеле дақиқаи вақт амал мекунад, ки як миллиарду як миллиарду як сонияро дар доираи васеътари як сония ташкил медиҳад. Барои муқоиса, агар мо як сонияро ба кӯҳи баланд монанд кунем, аттосония ба як зарраи реге монанд аст, ки дар пояи кӯҳ ҷойгир аст. Дар ин фосилаи вақтии зудгузар, ҳатто рӯшноӣ базӯр метавонад масофаеро тай кунад, ки ба андозаи як атоми алоҳида баробар аст. Тавассути истифодаи лазерҳои аттосония, олимон қобилияти бесобиқаеро барои таҳқиқ ва идора кардани динамикаи мураккаби электронҳо дар дохили сохторҳои атомӣ ба даст меоранд, ки ба такрори ҳаракати сусти кадр ба кадр дар як силсилаи синамоӣ монанд аст ва бо ин васила ба таъсири мутақобилаи онҳо ворид мешавад.

Лазерҳои аттосекундӣинҳо натиҷаи таҳқиқоти васеъ ва талошҳои муштараки олимон мебошанд, ки принсипҳои оптикаи ғайрихаттиро барои сохтани лазерҳои ултрасуръат истифода кардаанд. Пайдоиши онҳо ба мо нуқтаи назари инноватсиониро барои мушоҳида ва омӯзиши равандҳои динамикӣ, ки дар дохили атомҳо, молекулаҳо ва ҳатто электронҳо дар маводҳои сахт рух медиҳанд, фароҳам овард.

Барои равшан кардани табиати лазерҳои аттосония ва қадр кардани хусусиятҳои ғайримуқаррарии онҳо дар муқоиса бо лазерҳои анъанавӣ, омӯхтани гурӯҳбандии онҳо дар дохили "оилаи лазерӣ"-и васеътар муҳим аст. Тасниф аз рӯи дарозии мавҷ лазерҳои аттосонияро асосан дар диапазони басомадҳои ултрабунафш то рентгении нарм ҷойгир мекунад, ки нишон медиҳад, ки дарозии мавҷҳои онҳо дар муқоиса бо лазерҳои анъанавӣ хеле кӯтоҳтар аст. Аз нигоҳи режимҳои баромад, лазерҳои аттосония ба категорияи лазерҳои импулсӣ дохил мешаванд, ки бо давомнокии хеле кӯтоҳи импулсҳои онҳо тавсиф мешаванд. Барои равшанӣ, метавон лазерҳои мавҷи пайвастаро ба монанди чароғак, ки шуои пайвастаи рӯшноиро мебарорад, тасаввур кард, дар ҳоле ки лазерҳои импулсӣ ба нури стробӣ монанданд, ки зуд байни давраҳои равшанӣ ва торикӣ иваз мешаванд. Дар асл, лазерҳои аттосония рафтори импулскунандаро дар дохили равшанӣ ва торикӣ нишон медиҳанд, аммо гузариши онҳо байни ин ду ҳолат бо басомади ҳайратангез сурат мегирад ва ба олами аттосонияҳо мерасад.

Таснифоти минбаъда аз рӯи қудрат лазерҳоро ба гурӯҳҳои камқувват, миёнақувват ва баландқувват тақсим мекунад. Лазерҳои аттосекундӣ аз сабаби давомнокии хеле кӯтоҳи импулсҳои худ ба қувваҳои баланди қулла ноил мегарданд, ки дар натиҷа қувваи қуллаи намоён (P) ба вуҷуд меояд - ки ҳамчун шиддати энергия дар як воҳиди вақт муайян карда мешавад (P=W/t). Гарчанде ки импулсҳои лазерҳои аттосекундии инфиродӣ метавонанд энергияи хеле калон (W) надошта бошанд, дарозии кӯтоҳшудаи вақтии онҳо (t) ба онҳо қувваи баланди қулларо медиҳад.

Аз нигоҳи соҳаҳои татбиқ, лазерҳо доираи васеъеро фаро мегиранд, ки татбиқҳои саноатӣ, тиббӣ ва илмиро дар бар мегиранд. Лазерҳои аттосекундӣ асосан дар соҳаи тадқиқоти илмӣ, бахусус дар омӯзиши падидаҳои босуръат таҳаввулёбанда дар соҳаҳои физика ва химия, мавқеи худро пайдо мекунанд ва ба равандҳои динамикии босуръати ҷаҳони микрокосмӣ равзана фароҳам меоранд.

Гурӯҳбандӣ аз рӯи васоити лазерӣ лазерҳоро ба лазерҳои газӣ, лазерҳои сахтҳолӣ, лазерҳои моеъ ва лазерҳои нимноқилӣ ҷудо мекунад. Тавлиди лазерҳои аттосония одатан ба васоити лазерии газӣ вобаста аст ва аз эффектҳои оптикии ғайрихаттӣ барои ба вуҷуд овардани гармоникаҳои дараҷаи баланд истифода мебарад.

Хулоса, лазерҳои аттосония як синфи беназири лазерҳои импулси кӯтоҳро ташкил медиҳанд, ки бо давомнокии импулси хеле кӯтоҳи худ, ки одатан бо аттосонияҳо чен карда мешаванд, фарқ мекунанд. Дар натиҷа, онҳо ба абзорҳои муҳим барои мушоҳида ва назорати равандҳои динамикии ултратези электронҳо дар дохили атомҳо, молекулаҳо ва маводҳои сахт табдил ёфтаанд.

Раванди мураккаби тавлиди лазери аттосекундӣ

Технологияи лазерии Аттосония дар сафи пеши навовариҳои илмӣ қарор дорад ва дорои маҷмӯи сахти шароити ҷолиб барои тавлиди он мебошад. Барои равшан кардани печидагиҳои тавлиди лазери Аттосония, мо бо шарҳи мухтасари принсипҳои асосии он оғоз мекунем ва баъдан истиораҳои равшане, ки аз таҷрибаҳои ҳаррӯза гирифта шудаанд, пешниҳод менамоем. Хонандагоне, ки аз печидагиҳои физикаи дахлдор огоҳанд, набояд ноумед шаванд, зеро истиораҳои минбаъда ҳадафи дастрас кардани физикаи асосии лазерҳои аттосонияро доранд.

Раванди тавлиди лазерҳои аттосония асосан ба техникае такя мекунад, ки бо номи Насли Гармоникии Баланд (HHG) маъруф аст. Аввалан, шуоъи импулсҳои лазерии фемтосония бо шиддати баланд (10^-15 сония) ба маводи ҳадафи газмонанд сахт равона карда мешавад. Қайд кардан бамаврид аст, ки лазерҳои фемтосония, ба монанди лазерҳои аттосония, хусусиятҳои доштани давомнокии кӯтоҳи импулс ва қувваи баланди қулларо доранд. Таҳти таъсири майдони шадиди лазер, электронҳо дар дохили атомҳои газ муваққатан аз ядроҳои атомии худ озод мешаванд ва муваққатан ба ҳолати электронҳои озод ворид мешаванд. Вақте ки ин электронҳо дар посух ба майдони лазер ларзиш мекунанд, онҳо дар ниҳоят ба ядроҳои атомии волидайни худ бармегарданд ва бо онҳо дубора якҷоя мешаванд ва ҳолатҳои нави энергияи баландро ба вуҷуд меоранд.

Дар ин раванд, электронҳо бо суръати хеле баланд ҳаракат мекунанд ва ҳангоми рекомбинатсия бо ядроҳои атомӣ, онҳо энергияи иловагиро дар шакли партовҳои гармоникии баланд хориҷ мекунанд, ки ҳамчун фотонҳои дорои энергияи баланд зоҳир мешаванд.

Басомадҳои ин фотонҳои баландэнергияи нав тавлидшуда зарбҳои бутуни басомади аслии лазер мебошанд, ки он чизеро ташкил медиҳанд, ки гармоникаҳои тартиби баланд номида мешаванд, ки дар он "гармоника" басомадҳоеро ифода мекунад, ки зарбҳои интегралии басомади аслӣ мебошанд. Барои ба даст овардани лазерҳои аттосония, филтр кардан ва фокус кардани ин гармоникаҳои тартиби баланд, интихоби гармоникаҳои мушаххас ва мутамарказ кардани онҳо дар нуқтаи марказӣ зарур аст. Дар ҳолати зарурӣ, усулҳои фишурдани импулс метавонанд давомнокии импулсро боз ҳам кӯтоҳтар кунанд ва импулсҳои ултракӯтоҳро дар диапазони аттосония ба даст оранд. Аён аст, ки тавлиди лазерҳои аттосония як раванди мураккаб ва бисёрҷонибаро ташкил медиҳад, ки дараҷаи баланди маҳорати техникӣ ва таҷҳизоти махсусро талаб мекунад.

Барои равшан кардани ин раванди мураккаб, мо як параллелии маҷозӣ пешниҳод мекунем, ки ба сенарияҳои ҳаррӯза асос ёфтааст:

Импульсҳои лазерии фемтосекундии баландшиддат:

Тасаввур кунед, ки дорои як катапулти бениҳоят пуриқтидор аст, ки қодир аст фавран сангҳоро бо суръати бузург партояд, ба монанди нақши импулсҳои лазерии фемтосекундии баландшиддат.

Маводи ҳадафи газӣ:

Як обанбори оромро тасаввур кунед, ки рамзи маводи ҳадафи газӣ аст, ки дар он ҳар як қатра об атомҳои бешумори газро ифода мекунад. Амали тела додани сангҳо ба ин обанбор ба таври шабеҳ таъсири импулсҳои лазерии фемтосекундии баландшиддат ба маводи ҳадафи газӣ мебошад.

Ҳаракати электрон ва рекомбинатсия (гузариши физикӣ номида мешавад):

Вақте ки импулсҳои лазерии фемтосония ба атомҳои газ дар дохили маводи ҳадафи газӣ таъсир мерасонанд, шумораи зиёди электронҳои беруна ба таври муваққатӣ ба ҳолате ангехта мешаванд, ки дар он аз ядроҳои атомии худ ҷудо мешаванд ва ҳолати плазмамонандро ташкил медиҳанд. Вақте ки энергияи система баъдан кам мешавад (зеро импулсҳои лазерӣ худ аз худ импулс мешаванд ва фосилаҳои қатъшавӣ доранд), ин электронҳои беруна ба наздикии ядроҳои атомӣ бармегарданд ва фотонҳои баландэнергияро раҳо мекунанд.

Насли гармоникии баланд:

Тасаввур кунед, ки ҳар дафъае, ки қатрае аз об ба сатҳи кӯл бармегардад, мавҷҳо ба вуҷуд меоранд, ба монанди гармоникаҳои баланд дар лазерҳои аттосония. Ин мавҷҳо нисбат ба мавҷҳои аслӣ, ки аз импулси лазерии фемтосонияи аввалия ба вуҷуд меоянд, басомадҳо ва амплитудаҳои баландтар доранд. Дар раванди HHG, нури пуриқтидори лазерӣ, ки ба партофтани пайвастаи сангҳо монанд аст, ҳадафи газро равшан мекунад, ки ба сатҳи кӯл монанд аст. Ин майдони шадиди лазерӣ электронҳоро дар газ, ба монанди мавҷҳо, аз атомҳои аслии худ дур мекунад ва сипас онҳоро ба ақиб мекашад. Ҳар дафъае, ки электрон ба атом бармегардад, он нури нави лазериро бо басомади баландтар, ба намунаҳои мураккабтари мавҷҳо, мебарорад.

Филтркунӣ ва фокускунӣ:

Якҷоя кардани ҳамаи ин нурҳои лазерии нав тавлидшуда спектри рангҳои гуногун (басомадҳо ё дарозии мавҷҳо)-ро ба вуҷуд меорад, ки баъзе аз онҳо лазери аттосонияро ташкил медиҳанд. Барои ҷудо кардани андозаҳо ва басомадҳои мушаххаси мавҷҳо, шумо метавонед филтри махсусро истифода баред, ба монанди интихоби мавҷҳои дилхоҳ ва барои фокус кардани онҳо ба минтақаи мушаххас аз шишаи калонкунанда истифода баред.

Фишурдани импулс (агар лозим бошад):

Агар шумо ҳадафи паҳн кардани мавҷҳоро тезтар ва кӯтоҳтар дошта бошед, шумо метавонед паҳншавии онҳоро бо истифода аз дастгоҳи махсус суръат бахшед ва вақти давомнокии ҳар як мавҷро кам кунед. Тавлиди лазерҳои аттосония як таъсири мутақобилаи мураккаби равандҳоро дар бар мегирад. Аммо, ҳангоми тақсим ва тасаввур кардан, он фаҳмотар мешавад.