در یک اعلامیه مهم در شامگاه 3 اکتبر 2023، جایزه نوبل فیزیک برای سال 2023 رونمایی شد که از مشارکت برجسته سه دانشمندی که به عنوان پیشگامان در حوزه فناوری لیزر آتوثانیه ایفای نقش کرده اند، قدردانی می کند.

اصطلاح "لیزر آتوثانیه" نام خود را از مقیاس زمانی فوق‌العاده کوتاهی که بر روی آن کار می‌کند گرفته شده است، به‌ویژه به ترتیب آتوثانیه، مربوط به 10^-18 ثانیه. برای درک اهمیت عمیق این فناوری، درک اساسی آنچه که آتوثانیه نشان می دهد بسیار مهم است. یک آتوثانیه به عنوان یک واحد زمان بسیار دقیقه ای است که یک میلیاردم یک میلیاردم ثانیه را در بافت وسیع تر یک ثانیه تشکیل می دهد. برای درک این موضوع، اگر بخواهیم یک ثانیه را به یک کوه بلند تشبیه کنیم، یک آتوثانیه شبیه یک دانه شن است که در پایه کوه قرار گرفته است. در این فاصله زمانی زودگذر، حتی نور به سختی می تواند مسافتی معادل اندازه یک اتم را طی کند. از طریق استفاده از لیزرهای آتوثانیه، دانشمندان توانایی بی‌سابقه‌ای برای بررسی دقیق و دستکاری دینامیک پیچیده الکترون‌ها در ساختارهای اتمی، شبیه به پخش مجدد حرکت آهسته فریم به فریم در یک سکانس سینمایی، به دست می‌آورند و از این طریق در تعامل آنها تحقیق می‌کنند.

لیزرهای آتوثانیهنشان دهنده اوج تحقیقات گسترده و تلاش های هماهنگ دانشمندان است که از اصول اپتیک غیرخطی برای ساخت لیزرهای فوق سریع استفاده کرده اند. ظهور آنها نقطه برتری نوآورانه ای را برای مشاهده و اکتشاف فرآیندهای دینامیکی که در اتم ها، مولکول ها و حتی الکترون ها در مواد جامد متعرق می شوند، به ما داده است.

برای روشن شدن ماهیت لیزرهای آتوثانیه و درک ویژگی های غیر متعارف آنها در مقایسه با لیزرهای معمولی، ضروری است که طبقه بندی آنها را در "خانواده لیزر" گسترده تر بررسی کنیم. طبقه‌بندی بر اساس طول موج، لیزرهای آتوثانیه‌ای را عمدتاً در محدوده فرکانس‌های فرابنفش تا نرم اشعه ایکس قرار می‌دهد، که نشان‌دهنده طول موج‌های 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 آنها مشخص می‌شود. برای تشبیه برای وضوح، می توان لیزرهای موج پیوسته را شبیه به یک چراغ قوه در نظر گرفت که پرتوی پیوسته از نور را ساطع می کند، در حالی که لیزرهای پالسی شبیه یک نور بارق هستند که به سرعت بین دوره های روشنایی و تاریکی متناوب می شوند. در اصل، لیزرهای آتوثانیه ای رفتار ضربانی در روشنایی و تاریکی از خود نشان می دهند، اما انتقال آنها بین دو حالت با فرکانس شگفت انگیزی رخ می دهد و به قلمرو آتوثانیه ها می رسد.

دسته‌بندی بیشتر بر اساس توان، لیزرها را به براکت‌های کم مصرف، متوسط ​​و پرقدرت می‌دهد. لیزرهای آتوثانیه به دلیل مدت زمان پالس بسیار کوتاه خود به اوج قدرت بالایی دست می یابند که منجر به یک پیک توان برجسته (P) می شود - که به عنوان شدت انرژی در واحد زمان (P=W/t) تعریف می شود. اگرچه تک تک پالس‌های لیزر آتوثانیه ممکن است انرژی فوق‌العاده زیادی (W) نداشته باشند، وسعت زمانی کوتاه شده (t) آنها را با حداکثر توان بالا می‌برد.

از نظر حوزه کاربرد، لیزرها طیفی را شامل می شود که کاربردهای صنعتی، پزشکی و علمی را در بر می گیرد. لیزرهای آتوثانیه در درجه اول جایگاه خود را در قلمرو تحقیقات علمی پیدا می کنند، به ویژه در اکتشاف پدیده های به سرعت در حال تکامل در حوزه های فیزیک و شیمی، و پنجره ای به روی فرآیندهای پویای سریع جهان خرد ارائه می دهند.

طبقه بندی بر اساس محیط لیزر، لیزرها را به عنوان لیزرهای گازی، لیزرهای حالت جامد، لیزرهای مایع و لیزرهای نیمه هادی مشخص می کند. تولید لیزرهای آتوثانیه معمولاً به رسانه لیزر گازی وابسته است و از اثرات نوری غیرخطی برای ایجاد هارمونیک های مرتبه بالا استفاده می کند.

در مجموع، لیزرهای آتوثانیه یک کلاس منحصر به فرد از لیزرهای پالس کوتاه را تشکیل می دهند که با مدت زمان پالس بسیار کوتاهشان که معمولاً در آتوثانیه اندازه گیری می شود، متمایز می شوند. در نتیجه، آنها به ابزاری 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 Attosecond در خط مقدم نوآوری علمی قرار دارد و مجموعه‌ای از شرایط سختگیرانه را برای تولید خود به رخ می‌کشد. برای روشن کردن پیچیدگی‌های تولید لیزر آتوثانیه، با توضیح مختصری از اصول زیربنایی آن شروع می‌کنیم و به دنبال آن استعاره‌های واضحی که از تجربیات روزمره به دست می‌آیند. خوانندگانی که از پیچیدگی‌های فیزیک مربوطه آگاه نیستند، نیازی به ناامیدی ندارند، زیرا استعاره‌های بعدی قصد دارند فیزیک بنیادی لیزرهای آتوثانیه را در دسترس قرار دهند.

فرآیند تولید لیزرهای آتوثانیه در درجه اول به تکنیکی متکی است که به عنوان تولید هارمونیک بالا (HHG) شناخته می شود. اولاً، یک پرتو از پالس‌های لیزر فمتوثانیه (10^-15 ثانیه) با شدت بالا بر روی یک ماده هدف گازی متمرکز می‌شود. شایان ذکر است که لیزرهای فمتوثانیه، مشابه لیزرهای آتوثانیه، دارای ویژگی‌های دارای مدت زمان پالس کوتاه و قدرت پیک بالا هستند. تحت تأثیر میدان شدید لیزر، الکترون‌های درون اتم‌های گاز به‌طور لحظه‌ای از هسته‌های اتمی خود آزاد می‌شوند و به‌طور موقت وارد حالت الکترون‌های آزاد می‌شوند. همانطور که این الکترون ها در پاسخ به میدان لیزر نوسان می کنند، در نهایت به هسته اتمی مادر خود باز می گردند و با آنها ترکیب می شوند و حالت های پر انرژی جدید ایجاد می کنند.

در طی 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 پر انرژی ظاهر می‌شوند.

فرکانس‌های این فوتون‌های پرانرژی تازه تولید شده، مضرب صحیح فرکانس لیزری اصلی هستند، و چیزی را تشکیل می‌دهند که هارمونیک‌های مرتبه بالا نامیده می‌شوند، که در آن «هارمونیک» فرکانس‌هایی را نشان می‌دهد که مضرب‌های جدایی‌ناپذیر فرکانس اصلی هستند. برای دستیابی به لیزرهای آتوثانیه، 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، تکنیک‌های فشرده‌سازی پالس می‌توانند مدت زمان پالس را کوتاه‌تر کنند و پالس‌های فوق‌العاده کوتاهی در محدوده آتوثانیه ایجاد کنند. بدیهی است که تولید لیزرهای آتوثانیه فرآیندی پیچیده و چندوجهی است که به درجه بالایی از مهارت فنی و تجهیزات تخصصی نیاز دارد.

برای ابهام زدایی از این فرآیند پیچیده، یک موازی استعاری مبتنی بر سناریوهای روزمره ارائه می دهیم:

پالس های لیزر فمتوثانیه ای با شدت بالا:

تصور کنید که دارای یک منجنیق فوق‌العاده قدرتمند است که قادر به پرتاب آنی سنگ‌ها با سرعت‌های عظیم است، شبیه به نقشی که توسط پالس‌های لیزر فمتوثانیه‌ای با شدت بالا بازی می‌کند.

ماده هدف گازی:

یک توده آبی آرام را تصور کنید که نمادی از ماده هدف گازی است، جایی که هر قطره آب نشان دهنده هزاران اتم گاز است. عمل رانش سنگ ها به داخل این بدنه آب به طور مشابه تاثیر پالس های لیزر فمتوثانیه ای با شدت بالا بر روی ماده هدف گازی را منعکس می کند.

حرکت و نوترکیبی الکترون (گذر از نظر فیزیکی):

هنگامی که پالس های لیزر فمتوثانیه بر اتم های گاز درون ماده هدف گازی تأثیر می گذارد، تعداد قابل توجهی از الکترون های بیرونی به طور لحظه ای به حالتی برانگیخته می شوند که از هسته اتمی مربوطه خود جدا می شوند و حالتی شبیه پلاسما را تشکیل می دهند. همانطور که انرژی سیستم متعاقبا کاهش می یابد (از آنجایی که پالس های لیزر ذاتاً پالس می شوند و دارای فواصل توقف هستند)، این الکترون های بیرونی به مجاورت هسته های اتمی خود باز می گردند و فوتون های پر انرژی آزاد می کنند.

نسل هارمونیک بالا:

تصور کنید هر بار که یک قطره آب دوباره به سطح دریاچه می‌افتد، امواجی ایجاد می‌کند، دقیقاً شبیه هارمونیک‌های بالا در لیزرهای آتوثانیه. این امواج دارای فرکانس و دامنه بالاتری نسبت به امواج اولیه ناشی از پالس لیزر فمتوثانیه اولیه هستند. در طول فرآیند HHG، یک پرتو لیزر قدرتمند، شبیه به پرتاب مداوم سنگ، یک هدف گازی را که شبیه سطح دریاچه است، روشن می کند. این میدان لیزری شدید، الکترون‌های موجود در گاز را، مشابه موج‌ها، از اتم‌های اصلی خود دور می‌کند و سپس آنها را به عقب می‌کشد. هر بار که یک الکترون به اتم باز می گردد، یک پرتو لیزر جدید با فرکانس بالاتر ساطع می کند که شبیه به الگوهای موجی پیچیده تر است.

فیلتر کردن و تمرکز:

ترکیب تمام این پرتوهای لیزری جدید تولید شده، طیفی از رنگ‌های مختلف (فرکانس یا طول موج) را به دست می‌دهد که برخی از آنها لیزر آتوثانیه را تشکیل می‌دهند. برای جداسازی اندازه‌ها و فرکانس‌های موج‌های خاص، می‌توانید از یک فیلتر تخصصی شبیه به انتخاب موج‌های دلخواه استفاده کنید، و از یک ذره‌بین برای تمرکز آن‌ها بر روی یک منطقه خاص استفاده کنید.

فشرده سازی نبض (در صورت لزوم):

اگر قصد دارید موج‌ها را سریع‌تر و کوتاه‌تر منتشر کنید، می‌توانید با استفاده از یک دستگاه تخصصی، انتشار آن‌ها را تسریع کنید و مدت زمان هر ریپل را کاهش دهید. تولید لیزرهای آتوثانیه شامل تعامل پیچیده ای از فرآیندها است. با این حال، وقتی تجزیه و تجسم شود، قابل درک تر می شود.