در یک اعلامیه مهم در شامگاه ۳ اکتبر ۲۰۲۳، جایزه نوبل فیزیک سال ۲۰۲۳ رونمایی شد و از سهم برجسته سه دانشمندی که نقش‌های محوری را به عنوان پیشگامان در حوزه فناوری لیزر اتوثانیه ایفا کرده‌اند، تقدیر به عمل آمد.

اصطلاح "لیزر اتوثانیه" نام خود را از مقیاس زمانی فوق‌العاده کوتاهی که در آن عمل می‌کند، به ویژه در مرتبه اتوثانیه، معادل 10^-18 ثانیه، گرفته است. برای درک اهمیت عمیق این فناوری، درک اساسی از معنای اتوثانیه بسیار مهم است. اتوثانیه به عنوان یک واحد زمانی بسیار کوچک، یک میلیاردم یک میلیاردم ثانیه را در چارچوب وسیع‌تر یک ثانیه تشکیل می‌دهد. برای روشن شدن این موضوع، اگر ثانیه را به یک کوه سر به فلک کشیده تشبیه کنیم، اتوثانیه شبیه به یک دانه شن است که در پایه کوه قرار دارد. در این بازه زمانی گذرا، حتی نور نیز به سختی می‌تواند مسافتی معادل اندازه یک اتم منفرد را طی کند. دانشمندان با استفاده از لیزرهای اتوثانیه، توانایی بی‌سابقه‌ای برای بررسی و دستکاری دینامیک پیچیده الکترون‌ها در ساختارهای اتمی، شبیه به بازپخش صحنه آهسته فریم به فریم در یک سکانس سینمایی، به دست می‌آورند و در نتیجه به تعامل آنها می‌پردازند.

لیزرهای آتوثانیهاین لیزرها نمایانگر اوج تحقیقات گسترده و تلاش‌های هماهنگ دانشمندانی هستند که اصول اپتیک غیرخطی را برای ساخت لیزرهای فوق سریع به کار گرفته‌اند. ظهور آنها، نقطه دید نوآورانه‌ای را برای مشاهده و کاوش فرآیندهای دینامیکی که در اتم‌ها، مولکول‌ها و حتی الکترون‌ها در مواد جامد رخ می‌دهند، در اختیار ما قرار داده است.

برای روشن شدن ماهیت لیزرهای آتوثانیه و درک ویژگی‌های نامتعارف آنها در مقایسه با لیزرهای معمولی، بررسی طبقه‌بندی آنها در "خانواده لیزر" گسترده‌تر ضروری است. طبقه‌بندی بر اساس طول موج، لیزرهای آتوثانیه را عمدتاً در محدوده فرکانس‌های فرابنفش تا اشعه ایکس نرم قرار می‌دهد که نشان‌دهنده طول موج‌های بسیار کوتاه‌تر آنها در مقایسه با لیزرهای معمولی است. از نظر حالت‌های خروجی، لیزرهای آتوثانیه در دسته لیزرهای پالسی قرار می‌گیرند که با مدت زمان پالس بسیار کوتاه خود مشخص می‌شوند. برای ترسیم یک قیاس برای وضوح بیشتر، می‌توان لیزرهای موج پیوسته را شبیه به یک چراغ قوه در نظر گرفت که پرتوی پیوسته از نور ساطع می‌کند، در حالی که لیزرهای پالسی شبیه یک چراغ چشمک‌زن هستند که به سرعت بین دوره‌های روشنایی و تاریکی در نوسان هستند. در اصل، لیزرهای آتوثانیه در روشنایی و تاریکی رفتار ضربانی از خود نشان می‌دهند، اما گذار آنها بین دو حالت با فرکانس شگفت‌انگیزی رخ می‌دهد و به قلمرو آتوثانیه می‌رسد.

طبقه‌بندی بیشتر بر اساس توان، لیزرها را به دسته‌های کم‌توان، متوسط‌توان و پرتوان تقسیم می‌کند. لیزرهای آتوثانیه به دلیل مدت زمان پالس بسیار کوتاه خود، به توان پیک بالایی دست می‌یابند که منجر به توان پیک (P) قابل توجهی می‌شود - که به عنوان شدت انرژی در واحد زمان (P=W/t) تعریف می‌شود. اگرچه پالس‌های لیزر آتوثانیه ممکن است انرژی (W) فوق‌العاده زیادی نداشته باشند، اما طول موج کوتاه‌شده (t) آنها، توان پیک بالایی به آنها می‌دهد.

از نظر حوزه‌های کاربردی، لیزرها طیف وسیعی از کاربردهای صنعتی، پزشکی و علمی را در بر می‌گیرند. لیزرهای آتوثانیه در درجه اول جایگاه خود را در حوزه تحقیقات علمی، به ویژه در کاوش پدیده‌های به سرعت در حال تکامل در حوزه‌های فیزیک و شیمی، پیدا می‌کنند و دریچه‌ای به سوی فرآیندهای پویای سریع جهان میکروسکوپی ارائه می‌دهند.

دسته‌بندی بر اساس محیط لیزر، لیزرها را به لیزرهای گازی، لیزرهای حالت جامد، لیزرهای مایع و لیزرهای نیمه‌هادی تقسیم می‌کند. تولید لیزرهای آتوثانیه معمولاً به محیط لیزر گازی وابسته است و از اثرات نوری غیرخطی برای ایجاد هارمونیک‌های مرتبه بالا بهره می‌برد.

در مجموع، لیزرهای آتوثانیه دسته‌ای منحصر به فرد از لیزرهای پالس کوتاه را تشکیل می‌دهند که با مدت زمان پالس فوق‌العاده کوتاه خود، که معمولاً بر حسب آتوثانیه اندازه‌گیری می‌شود، متمایز می‌شوند. در نتیجه، آنها به ابزارهای ضروری برای مشاهده و کنترل فرآیندهای دینامیکی فوق سریع الکترون‌ها در اتم‌ها، مولکول‌ها و مواد جامد تبدیل شده‌اند.

فرآیند پیچیده تولید لیزر آتوثانیه

فناوری لیزر آتوثانیه در خط مقدم نوآوری‌های علمی قرار دارد و به مجموعه‌ای از شرایط جذاب و دقیق برای تولید خود می‌بالد. برای روشن کردن پیچیدگی‌های تولید لیزر آتوثانیه، ما با شرح مختصری از اصول اساسی آن شروع می‌کنیم و به دنبال آن استعاره‌های واضحی از تجربیات روزمره ارائه می‌دهیم. خوانندگانی که با پیچیدگی‌های فیزیک مربوطه آشنا نیستند، نباید ناامید شوند، زیرا استعاره‌های بعدی با هدف ارائه فیزیک بنیادی لیزرهای آتوثانیه به صورت قابل فهم ارائه شده‌اند.

فرآیند تولید لیزرهای آتوثانیه در درجه اول به تکنیکی معروف به تولید هارمونیک بالا (HHG) متکی است. در ابتدا، پرتویی از پالس‌های لیزر فمتوثانیه با شدت بالا (10^-15 ثانیه) به شدت بر روی یک ماده هدف گازی متمرکز می‌شود. شایان ذکر است که لیزرهای فمتوثانیه، مشابه لیزرهای آتوثانیه، ویژگی‌های داشتن مدت زمان پالس کوتاه و توان اوج بالا را به اشتراک می‌گذارند. تحت تأثیر میدان لیزر شدید، الکترون‌های درون اتم‌های گاز به طور لحظه‌ای از هسته‌های اتمی خود آزاد می‌شوند و به طور گذرا وارد حالت الکترون‌های آزاد می‌شوند. همانطور که این الکترون‌ها در پاسخ به میدان لیزر نوسان می‌کنند، در نهایت به هسته‌های اتمی والد خود باز می‌گردند و با آنها ترکیب می‌شوند و حالت‌های جدید با انرژی بالا ایجاد می‌کنند.

در طول این فرآیند، الکترون‌ها با سرعت‌های بسیار بالا حرکت می‌کنند و پس از ترکیب مجدد با هسته‌های اتمی، انرژی اضافی را به شکل گسیل‌های هارمونیک بالا آزاد می‌کنند که به صورت فوتون‌های پرانرژی ظاهر می‌شوند.

فرکانس‌های این فوتون‌های پرانرژی تازه تولید شده، مضرب‌های صحیحی از فرکانس لیزر اصلی هستند و چیزی را تشکیل می‌دهند که هارمونیک‌های مرتبه بالا نامیده می‌شوند، که در آن "هارمونیک‌ها" به فرکانس‌هایی اشاره دارند که مضرب‌های صحیحی از فرکانس اصلی هستند. برای دستیابی به لیزرهای آتوثانیه، فیلتر کردن و متمرکز کردن این هارمونیک‌های مرتبه بالا، انتخاب هارمونیک‌های خاص و متمرکز کردن آنها در یک نقطه کانونی ضروری می‌شود. در صورت تمایل، تکنیک‌های فشرده‌سازی پالس می‌توانند مدت زمان پالس را بیشتر کوتاه کنند و پالس‌های فوق کوتاه در محدوده آتوثانیه ایجاد کنند. بدیهی است که تولید لیزرهای آتوثانیه یک فرآیند پیچیده و چندوجهی است که نیاز به درجه بالایی از مهارت فنی و تجهیزات تخصصی دارد.

برای رمزگشایی از این فرآیند پیچیده، یک تشبیه استعاری مبتنی بر سناریوهای روزمره ارائه می‌دهیم:

پالس‌های لیزر فمتوثانیه با شدت بالا:

تصور کنید که منجنیقی فوق‌العاده قوی داشته باشید که بتواند سنگ‌ها را با سرعت بسیار زیاد فوراً پرتاب کند، شبیه به نقشی که پالس‌های لیزر فمتوثانیه‌ای با شدت بالا ایفا می‌کنند.

ماده هدف گازی:

یک توده آب آرام را تصور کنید که نمادی از ماده هدف گازی است، جایی که هر قطره آب نمایانگر اتم‌های گازی بی‌شماری است. عمل پرتاب سنگ‌ها به درون این توده آب، به طور مشابه، تأثیر پالس‌های لیزر فمتوثانیه‌ای با شدت بالا را بر روی ماده هدف گازی منعکس می‌کند.

حرکت و بازترکیب الکترون (که از نظر فیزیکی به آن گذار می‌گویند):

هنگامی که پالس‌های لیزر فمتوثانیه‌ای به اتم‌های گاز درون ماده هدف گازی برخورد می‌کنند، تعداد قابل توجهی از الکترون‌های بیرونی به طور موقت به حالتی برانگیخته می‌شوند که در آن از هسته‌های اتمی مربوطه جدا می‌شوند و حالتی شبیه پلاسما را تشکیل می‌دهند. با کاهش انرژی سیستم (از آنجایی که پالس‌های لیزر ذاتاً پالسی هستند و دارای فواصل توقف می‌باشند)، این الکترون‌های بیرونی به مجاورت هسته‌های اتمی خود بازمی‌گردند و فوتون‌های پرانرژی آزاد می‌کنند.

تولید هارمونیک بالا:

تصور کنید هر بار که یک قطره آب به سطح دریاچه برمی‌گردد، موج‌هایی ایجاد می‌کند، بسیار شبیه به هارمونیک‌های بالا در لیزرهای آتوثانیه. این موج‌ها فرکانس‌ها و دامنه‌های بالاتری نسبت به موج‌های اولیه ایجاد شده توسط پالس لیزر فمتوثانیه اولیه دارند. در طول فرآیند HHG، یک پرتو لیزر قدرتمند، شبیه به پرتاب مداوم سنگ‌ها، یک هدف گازی را روشن می‌کند که شبیه سطح دریاچه است. این میدان لیزر شدید، الکترون‌های موجود در گاز را، مشابه موج‌ها، از اتم‌های والد خود دور می‌کند و سپس آنها را به عقب می‌کشد. هر بار که یک الکترون به اتم برمی‌گردد، یک پرتو لیزر جدید با فرکانس بالاتر، شبیه به الگوهای موجی پیچیده‌تر، ساطع می‌کند.

فیلتر کردن و تمرکز:

ترکیب همه این پرتوهای لیزر تازه تولید شده، طیفی از رنگ‌های مختلف (فرکانس‌ها یا طول موج‌ها) را به دست می‌دهد که برخی از آنها لیزر آتوثانیه را تشکیل می‌دهند. برای جداسازی اندازه‌ها و فرکانس‌های خاص موج، می‌توانید از یک فیلتر تخصصی، شبیه به انتخاب موج‌های مورد نظر، استفاده کنید و از یک ذره‌بین برای تمرکز آنها بر روی یک ناحیه خاص استفاده کنید.

فشرده سازی نبض (در صورت لزوم):

اگر هدف شما انتشار سریع‌تر و کوتاه‌تر موج‌ها است، می‌توانید با استفاده از یک دستگاه تخصصی، انتشار آنها را تسریع کنید و مدت زمان ماندگاری هر موج را کاهش دهید. تولید لیزرهای آتوثانیه شامل تعامل پیچیده‌ای از فرآیندها است. با این حال، هنگامی که تجزیه و تجسم می‌شود، قابل درک‌تر می‌شود.