در یک اعلامیه مهم در عصر 3 اکتبر 2023 ، جایزه نوبل فیزیک برای سال 2023 رونمایی شد و به رسمیت شناختن سهم برجسته سه دانشمند که نقش های محوری را به عنوان پیشگام در حوزه فناوری لیزر Attosecond بازی کرده اند.

اصطلاح "لیزر Attosecond" نام خود را از بازه زمانی فوق العاده مختصر که در آن کار می کند ، به ویژه به ترتیب آتوسنندها ، مربوط به 10^-18 ثانیه است. برای درک اهمیت عمیق این فناوری ، درک اساسی از آنچه که یک آتوسکوند نشان می دهد مهم است. Attosecond به عنوان یک واحد زمان بسیار دقیقه ای قرار دارد و یک میلیاردم میلیاردم ثانیه دوم را در چارچوب گسترده تر یک ثانیه تشکیل می دهد. برای چشم انداز این موضوع ، اگر بخواهیم یک ثانیه را به یک کوه برجسته تشبیه کنیم ، یک آتوسکوند شبیه به یک دانه ماسه ای است که در پایگاه کوه واقع شده است. در این بازه زمانی زودگذر ، حتی نور به سختی می تواند مسافتی معادل اندازه یک اتم فردی را طی کند. دانشمندان از طریق استفاده از لیزرهای Attosecond ، توانایی بی سابقه ای را برای بررسی و دستکاری پویایی پیچیده الکترونها در ساختارهای اتمی ، شبیه به یک قاب به قاب آهسته در یک سکانس سینمایی به دست می آورند و از این طریق به بازی های متقابل آنها می پردازند.

لیزرهای attosecondنمایانگر اوج تحقیقات گسترده و تلاش های هماهنگ دانشمندان ، که اصول اپتیک غیرخطی را برای کاردستی لیزرهای Ultrafast به خود اختصاص داده اند. ظهور آنها ما را با یک نقطه برتری نوآورانه برای مشاهده و کاوش در فرآیندهای پویا که در اتم ها ، مولکول ها و حتی الکترون ها در مواد جامد قرار دارند ، فراهم کرده است.

برای روشن شدن ماهیت لیزرهای آتوسکند و قدردانی از ویژگی های غیر متعارف آنها در مقایسه با لیزرهای معمولی ، ضروری است که طبقه بندی آنها را در "خانواده لیزر" گسترده تر کشف کنیم. طبقه بندی بر اساس طول موج ، لیزرهای Attosecond به طور عمده در محدوده فراوانی اشعه ایکس نرم ماوراء بنفش به نرم ماوراء بنفش ، و نشانگر طول موج های کوتاه تر آنها بر خلاف لیزرهای معمولی است. از نظر حالت های خروجی ، لیزرهای Attosecond در طبقه لیزرهای پالس قرار می گیرند که با مدت زمان بسیار کوتاه پالس آنها مشخص می شود. برای ترسیم یک قیاس برای وضوح ، می توان لیزرهای موج مداوم را به عنوان شبیه به چراغ قوه ساطع کرد که یک پرتوی مداوم از نور را منتشر می کند ، در حالی که لیزرهای پالس شبیه به یک نور بارب هستند ، که به سرعت بین دوره های روشنایی و تاریکی متناوب است. در اصل ، لیزرهای Attosecond یک رفتار پالس کننده در درون روشنایی و تاریکی نشان می دهند ، اما انتقال آنها بین این دو کشور با فرکانس حیرت انگیز رخ می دهد و به قلمرو آتساندا می رسد.

طبقه بندی بیشتر توسط لیزرهای برق در براکت های کم قدرت ، متوسط ​​و با قدرت بالا قرار می گیرد. لیزرهای Attosecond به دلیل مدت زمان پالس بسیار کوتاه ، به اوج بالایی دست می یابند ، و در نتیجه قدرت اوج برجسته (P) ایجاد می شود - که به عنوان شدت انرژی در هر واحد (P = W/T) تعریف شده است. اگرچه پالس های لیزر آتوس ثانیه ممکن است دارای انرژی فوق العاده بزرگی (W) نباشند ، اما میزان زمانی مختصر آنها (T) آنها را با قدرت اوج بالا منتقل می کند.

از نظر دامنه های کاربردی ، لیزرها طیف وسیعی را شامل می شوند که شامل کاربردهای صنعتی ، پزشکی و علمی است. لیزرهای Attosecond در درجه اول طاقچه خود را در قلمرو تحقیقات علمی ، به ویژه در اکتشاف پدیده های به سرعت در حال تحول در حوزه های فیزیک و شیمی ، می یابند و پنجره ای را به فرآیندهای پویا سریع جهان میکروسکوپی ارائه می دهند.

طبقه بندی توسط لیزر لیزر لیزر به عنوان لیزر گاز ، لیزرهای حالت جامد ، لیزرهای مایع و لیزرهای نیمه هادی. تولید لیزرهای Attosecond به طور معمول به رسانه های لیزر گاز وابسته است و از اثرات نوری غیرخطی برای ایجاد هارمونیک مرتبه بالا استفاده می کند.

به طور خلاصه ، لیزرهای Attosecond یک کلاس منحصر به فرد از لیزرهای پالس کوتاه را تشکیل می دهند ، که با مدت زمان پالس فوق العاده مختصر آنها متمایز می شود ، که به طور معمول در آتوسچند اندازه گیری می شود. در نتیجه ، آنها به ابزارهای ضروری برای مشاهده و کنترل فرآیندهای پویا Ultrafast الکترونها در اتم ها ، مولکول ها و مواد جامد تبدیل شده اند.

روند دقیق تولید لیزر Attosecond

فناوری لیزر Attosecond در خط مقدم نوآوری علمی قرار دارد و دارای مجموعه ای از شرایط بسیار جذاب برای تولید خود است. برای روشن کردن پیچیدگی های تولید لیزر Attosecond ، ما با یک نمایش مختصر از اصول اساسی آن شروع می کنیم ، و به دنبال آن استعاره های واضح حاصل از تجربیات روزمره. خوانندگان در پیچیدگی های فیزیک مربوطه ، نیازی به ناامیدی ندارند ، زیرا استعاره های متعاقب این است که فیزیک بنیادی لیزرهای آتوسیکوند را در دسترس قرار می دهد.

فرآیند تولید لیزرهای Attosecond در درجه اول به تکنیک معروف به تولید هارمونیک بالا (HHG) متکی است. در مرحله اول ، پرتو از پالس های لیزر با شدت بالا (10^-15 ثانیه) محکم روی یک ماده هدف گازی متمرکز شده است. شایان ذکر است که لیزرهای Femtosecond ، شبیه به لیزرهای Attosecond ، ویژگی های داشتن مدت زمان پالس کوتاه و قدرت اوج بالا را به اشتراک می گذارند. تحت تأثیر میدان لیزر شدید ، الکترونهای موجود در اتم های گازی لحظه به لحظه از هسته های اتمی خود آزاد می شوند و به طور موقت وارد حالت الکترون های آزاد می شوند. از آنجا که این الکترونها در پاسخ به میدان لیزر نوسان می کنند ، آنها در نهایت با هسته های اتمی والدین خود باز می گردند و نوترکیب می شوند و حالات جدید انرژی بالا را ایجاد می کنند.

در طی این فرآیند ، الکترون ها با سرعت بسیار بالا حرکت می کنند و پس از نوترکیبی با هسته های اتمی ، انرژی اضافی را به شکل انتشار هارمونیک بالا آزاد می کنند و به عنوان فوتون های پر انرژی آشکار می شوند.

فرکانس های این فوتون های با انرژی تازه تولید شده ، ضربهای عدد صحیح از فرکانس لیزر اصلی هستند و آنچه را هارمونیک مرتبه بالا نامیده می شود ، تشکیل می دهد ، جایی که "هارمونیک" فرکانس هایی را نشان می دهد که چند برابر است. برای دستیابی به لیزرهای Attosecond ، فیلتر کردن و تمرکز این هارمونیک های مرتبه بالا ، انتخاب هارمونیک های خاص و تمرکز آنها در یک نقطه کانونی ضروری است. در صورت تمایل ، تکنیک های فشرده سازی پالس می توانند مدت زمان پالس را به همبازی بیشتر کنند و پالس های فوق العاده کوتاه را در محدوده Attosecond به دست آورند. بدیهی است ، تولید لیزرهای Attosecond یک فرآیند پیشرفته و چند جانبه را تشکیل می دهد و خواستار درجه بالایی از قدرت فنی و تجهیزات تخصصی است.

برای خنثی کردن این روند پیچیده ، ما یک موازی استعاری را که در سناریوهای روزمره مبتنی است ارائه می دهیم:

پالس های لیزر با شدت بالا:

پیش بینی داشتن یک منجنیق فوق العاده قدرتمند قادر به هجوم سنگهای فوری با سرعت های عظیم ، شبیه به نقش ایفا می شود که توسط پالس های لیزر فموتوس ثانیه با شدت بالا بازی می شود.

مواد هدف گازی:

یک بدن آرام از آب را که نمادی از مواد هدف گازی است ، تصویر کنید ، جایی که هر قطره آب نمایانگر اتم های گاز بی شمار است. عمل پیشروی سنگ به این بدن از آب به طور مشابه تأثیر پالس های لیزر با شدت بالا فموتوس ثانیه را بر روی ماده هدف گازی نشان می دهد.

حرکت الکترون و نوترکیبی (انتقال جسمی):

هنگامی که پالس های لیزر femtosecond بر اتمهای گاز در ماده هدف گازی تأثیر می گذارد ، تعداد قابل توجهی از الکترونهای بیرونی لحظه به لحظه از وضعیتی که از هسته های اتمی مربوطه جدا می شوند ، هیجان زده می شوند و یک حالت مانند پلاسما را تشکیل می دهند. از آنجا که انرژی سیستم متعاقباً کاهش می یابد (از آنجا که پالس های لیزر ذاتاً پالس می شوند و دارای فواصل قطع هستند) ، این الکترونهای بیرونی به مجاورت هسته های اتمی باز می گردند و فوتون های پر انرژی را آزاد می کنند.

نسل هارمونیک بالا:

تصور کنید هر بار که یک قطره آب به سطح دریاچه برگردد ، موج هایی را ایجاد می کند ، دقیقاً مانند هارمونیک های بالا در لیزرهای Attosecond. این موج ها از فرکانس ها و دامنه های بالاتری نسبت به موج های اصلی ناشی از پالس لیزر اولیه Femtosecond دارند. در طی فرآیند HHG ، یک پرتوی لیزر قدرتمند ، شبیه به سنگ های مداوم ، یک هدف گاز را روشن می کند و شبیه به سطح دریاچه است. این میدان لیزر شدید الکترون ها را در گاز ، مشابه با موج ، دور از اتم های والدین خود سوق می دهد و سپس آنها را به عقب می کشد. هر بار که یک الکترون به اتم باز می گردد ، یک پرتو لیزر جدید با فرکانس بالاتر ، شبیه به الگوهای پیچیده تر پیچیده تر می کند.

فیلتر و تمرکز:

ترکیب تمام این پرتوهای لیزر تازه تولید شده ، طیف هایی از رنگ های مختلف (فرکانس ها یا طول موج) را به همراه دارد که برخی از آنها لیزر Attosecond را تشکیل می دهند. برای جداسازی اندازه ها و فرکانس های خاص موج دار ، می توانید از یک فیلتر تخصصی ، شبیه به انتخاب موج های مورد نظر استفاده کنید و از یک شیشه بزرگنمایی استفاده کنید تا آنها را روی یک منطقه خاص متمرکز کنید.

فشرده سازی پالس (در صورت لزوم):

اگر قصد دارید سریعتر و کوتاه تر موج ها را پخش کنید ، می توانید انتشار آنها را با استفاده از یک دستگاه تخصصی تسریع کنید و زمان ماندگاری هر موج را کاهش می دهد. تولید لیزرهای Attosecond شامل یک تعامل پیچیده از فرآیندها است. با این حال ، هنگامی که تجزیه و تجسم می شود ، قابل درک تر می شود.