2023 оны 10-р сарын 3-ны орой нэгэн чухал мэдэгдлээр 2023 оны Физикийн Нобелийн шагналыг гардуулж, аттосекунд лазерын технологийн салбарт анхдагчдын хувьд чухал үүрэг гүйцэтгэсэн гурван эрдэмтний оруулсан онцгой хувь нэмрийг үнэлэв.

"Аттосекундын лазер" гэсэн нэр томъёо нь 10^-18 секундэд тохирох аттосекундын дарааллаар ажилладаг гайхалтай богино хугацааны хэмжүүрээс нэрээ авсан. Энэхүү технологийн гүн гүнзгий ач холбогдлыг ойлгохын тулд аттосекунд гэж юу болохыг ойлгох нь чухал юм. Аттосекунд нь нэг секундын өргөн хүрээнд секундын тэрбумын нэгийг бүрдүүлдэг хэт минутын цаг хугацааны нэгж юм. Үүнийг ухааруулахын тулд хэрэв бид нэг секундыг өндөр уултай зүйрлэвэл аттосекунд нь уулын бэлд үүрлэсэн ганц ширхэг элсний ширхэгтэй адил байх болно. Энэхүү түр зуурын цаг хугацааны интервалд гэрэл хүртэл атомын хэмжээтэй тэнцэх зайг бараг туулж чаддаггүй. Эрдэмтэд аттосекундын лазерыг ашигласнаар атомын бүтэц доторх электронуудын нарийн төвөгтэй динамикийг нягт нямбай судалж, удирдах урьд өмнө хэзээ ч байгаагүй чадварыг олж авдаг бөгөөд энэ нь киноны дараалалд жаазаар удаашруулах хөдөлгөөнтэй адилтгаж, тэдгээрийн харилцан үйлчлэлийг судлах явдал юм.

Аттосекундын лазеруудЭнэ нь хэт хурдан лазер бүтээх шугаман бус оптикийн зарчмуудыг ашигласан эрдэмтдийн өргөн хүрээтэй судалгаа, нэгдсэн хүчин чармайлтын оргил юм. Тэдний гарч ирсэн нь хатуу материал дахь атом, молекул, тэр ч байтугай электрон дотор явагдаж буй динамик үйл явцыг ажиглах, судлах шинэлэг боломжийг бидэнд олгосон.

Аттосекунд лазерын мөн чанарыг тодруулж, ердийн лазертай харьцуулахад уламжлалт бус шинж чанарыг нь үнэлэхийн тулд тэдгээрийг илүү өргөн хүрээний "лазерын гэр бүл"-д ангилах нь зайлшгүй шаардлагатай. Долгионы уртаар ангилах нь аттосекундын лазерыг хэт ягаан туяанаас зөөлөн рентген туяаны давтамжийн хүрээнд голчлон байрлуулдаг бөгөөд энэ нь ердийн лазераас ялгаатай нь тэдний долгионы урт нь мэдэгдэхүйц богино байгааг илтгэнэ. Гаралтын горимын хувьд аттосекунд лазерууд нь импульсийн маш богино хугацаанд тодорхойлогддог импульсийн лазерын ангилалд багтдаг. Тодорхой болгохын тулд аналоги зурахын тулд тасралтгүй долгионы лазерыг тасралтгүй гэрлийн туяа ялгаруулдаг гар чийдэнтэй адил төсөөлж болох бөгөөд импульсийн лазер нь гэрэлтүүлгийн болон харанхуйн хооронд хурдан солигдох strobe гэрэлтэй төстэй байдаг. Нэг ёсондоо аттосекундын лазер нь гэрэлтүүлэг, харанхуйн дотор лугшилтын шинж чанартай байдаг ч хоёр төлөвийн хоорондох шилжилт нь гайхалтай давтамжтайгаар аттосекундын хэмжээнд хүрдэг.

Цаашид чадлаар нь ангилах нь лазерыг бага чадалтай, дунд чадалтай, өндөр чадалтай гэж ангилдаг. Аттосекундын лазерууд нь импульсийн үргэлжлэх хугацаа нь маш богино байдаг тул өндөр оргил хүчин чадалд хүрдэг бөгөөд үүний үр дүнд нэгж хугацаанд эрчим хүчний эрчим (P=W/t)-ээр тодорхойлогддог оргил хүч (P)-ийг бий болгодог. Хэдийгээр бие даасан аттосекундын лазер импульс нь онцгой их энерги (W) агуулаагүй ч тэдгээрийн товчилсон түр зуурын хэмжээ (t) нь өндөр оргил хүчийг өгдөг.

Хэрэглээний хүрээний хувьд лазер нь үйлдвэрлэл, анагаах ухаан, шинжлэх ухааны хэрэглээг хамарсан спектрийг хамардаг. Аттосекунд лазерууд нь шинжлэх ухааны судалгааны хүрээнд, ялангуяа физик, химийн салбарт хурдацтай хөгжиж буй үзэгдлүүдийг судлахад өөрийн байр сууриа олж, бичил сансар огторгуйн хурдацтай динамик үйл явцын цонхыг санал болгодог.

Лазер орчинд ангилснаар лазерыг хийн лазер, хатуу төлөвт лазер, шингэн лазер, хагас дамжуулагч лазер гэж ялгадаг. Аттосекундын лазерыг үүсгэх нь ихэвчлэн хийн лазер зөөвөрлөгч дээр тулгуурладаг бөгөөд шугаман бус оптик нөлөөг ашиглан өндөр дарааллын гармоник үүсгэдэг.

Дүгнэж хэлэхэд аттосекунд лазерууд нь ихэвчлэн аттосекундээр хэмжигддэг, ер бусын богино импульсийн үргэлжлэх хугацаагаараа ялгагдах богино импульсийн лазеруудын өвөрмөц ангиллыг бүрдүүлдэг. Үүний үр дүнд тэд атом, молекул, хатуу материалын доторх электронуудын хэт хурдан динамик процессыг ажиглах, хянах зайлшгүй хэрэгсэл болжээ.

Аттосекунд лазер үүсгэх нарийн үйл явц

Attosecond лазер технологи нь шинжлэх ухааны инновацийн тэргүүн эгнээнд зогсож, түүнийг бий болгох гайхалтай нарийн нөхцлөөр бахархдаг. Аттосекунд лазер үүсгэх нарийн төвөгтэй байдлыг тодруулахын тулд бид түүний үндсэн зарчмуудыг товч тайлбарлаж, дараа нь өдөр тутмын туршлагаас олж авсан тод зүйрлэлээр эхэлдэг. Холбогдох физикийн нарийн ширийнийг мэддэг уншигчид цөхрөх шаардлагагүй, учир нь дараагийн зүйрлэлүүд нь аттосекундын лазерын суурь физикийг хүртээмжтэй болгох зорилготой юм.

Аттосекунд лазер үүсгэх үйл явц нь үндсэндээ Өндөр гармоник үүсгэх (HHG) гэж нэрлэгддэг техник дээр суурилдаг. Нэгдүгээрт, өндөр эрчимтэй фемтосекунд (10^-15 секунд) лазер импульсийн туяа нь хийн зорилтот материал дээр нягт төвлөрдөг. Аттосекундын лазертай адил фемтосекунд лазерууд нь богино импульсийн үргэлжлэх хугацаа, өндөр оргил хүчин чадалтай шинж чанартай байдаг гэдгийг тэмдэглэх нь зүйтэй. Хүчтэй лазерын талбайн нөлөөн дор хийн атомуудын доторх электронууд атомын цөмөөсөө түр чөлөөлөгдөж, түр зуурын чөлөөт электрон төлөвт ордог. Эдгээр электронууд лазерын талбайн хариуд хэлбэлзэж байх үед тэд эцэстээ эх атомын цөм рүүгээ буцаж, дахин нэгдэж, шинэ өндөр энергитэй төлөвүүдийг үүсгэдэг.

Энэ процессын явцад электронууд маш өндөр хурдтай хөдөлж, атомын цөмтэй дахин нэгдэхдээ өндөр гармоник ялгаруулалт хэлбэрээр нэмэлт энерги ялгаруулж, өндөр энергитэй фотон хэлбэрээр илэрдэг.

Эдгээр шинээр бий болсон өндөр энергитэй фотонуудын давтамж нь анхны лазер давтамжийн бүхэл үржвэрүүд бөгөөд өндөр дарааллын гармоник гэж нэрлэгддэг зүйлийг бүрдүүлдэг бөгөөд "гармоник" нь анхны давтамжийн салшгүй үржвэрийн давтамжийг илэрхийлдэг. Аттосекундын лазерд хүрэхийн тулд эдгээр өндөр эрэмбийн гармоникуудыг шүүж, төвлөрүүлж, тодорхой гармоникуудыг сонгож, тэдгээрийг фокусын цэг болгон төвлөрүүлэх шаардлагатай болдог. Хэрэв хүсвэл импульсийн шахалтын аргууд нь импульсийн үргэлжлэх хугацааг богиносгож, аттосекундын хүрээнд хэт богино импульс үүсгэдэг. Аттосекундын лазерыг бий болгох нь техникийн өндөр ур чадвар, тусгай тоног төхөөрөмж шаарддаг нарийн төвөгтэй, олон талт үйл явц юм.

Энэхүү ээдрээтэй үйл явцыг тайлахын тулд бид өдөр тутмын нөхцөл байдалд суурилсан зүйрлэлийг санал болгож байна:

Өндөр эрчимтэй фемтосекундын лазер импульс:

Өндөр эрчимтэй фемтосекундын лазер импульсийн гүйцэтгэдэг үүрэгтэй адил асар хурдтайгаар чулуу шидэх чадвартай, онцгой хүчтэй катапулттай болохыг төсөөлөөд үз дээ.

Хийн зорилтот материал:

Усны дусал бүр тоо томшгүй олон хийн атомыг төлөөлдөг хийн зорилтот материалыг бэлгэддэг тайван усны биеийг төсөөлөөд үз дээ. Энэ усан сан руу чулуу түлхэх үйлдэл нь хийн зорилтот материалд өндөр эрчимтэй фемтосекунд лазерын импульсийн нөлөөг тусгадаг.

Электрон хөдөлгөөн ба рекомбинаци (физикээр нэрлэгдсэн шилжилт):

Фемтосекундын лазерын импульс нь хийн зорилтот материалын доторх хийн атомуудад нөлөөлөх үед гаднах электронуудын нэлээд хэсэг нь тус тусын атомын цөмөөсөө салж, плазмтай төстэй төлөвт шилжинэ. Системийн энерги багасах тусам (лазерын импульс нь угаасаа импульс, зогсолтын интервалтай байдаг тул) эдгээр гадаад электронууд атомын цөмд эргэн ирж, өндөр энергитэй фотонуудыг ялгаруулдаг.

Өндөр гармоник үүсэх:

Усны дусал нуурын гадаргуу дээр буцаж унах бүрт аттосекундын лазерын өндөр гармоник шиг долгион үүсгэдэг гэж төсөөлөөд үз дээ. Эдгээр долгионууд нь анхдагч фемтосекунд лазерын импульсийн улмаас үүссэн анхны долгионоос илүү өндөр давтамж, далайцтай байдаг. HHG процессын явцад чулууг тасралтгүй шидэхтэй адил хүчтэй лазер туяа нь нуурын гадаргуутай төстэй хийн байг гэрэлтүүлдэг. Энэхүү хүчтэй лазерын талбар нь долгионтой төстэй хий дэх электронуудыг эх атомаасаа холдуулж, дараа нь буцааж татдаг. Электрон атом руу буцаж ирэх бүрдээ илүү нарийн долгионы хэв маягтай төстэй илүү өндөр давтамжтай шинэ лазер туяа цацруулдаг.

Шүүлтүүр ба анхаарлаа төвлөрүүлэх:

Шинээр үүссэн эдгээр бүх лазер туяаг нэгтгэснээр янз бүрийн өнгөний спектр (давтамж эсвэл долгионы урт) гарч ирдэг бөгөөд тэдгээрийн зарим нь аттосекундын лазерыг бүрдүүлдэг. Тодорхой долгионы хэмжээ, давтамжийг тусгаарлахын тулд та хүссэн долгионыг сонгохтой адил тусгай шүүлтүүр ашиглаж, тэдгээрийг тодорхой хэсэгт төвлөрүүлэхийн тулд томруулдаг шил ашиглаж болно.

Импульсийн шахалт (шаардлагатай бол):

Хэрэв та долгионыг илүү хурдан, богино хугацаанд тараахыг зорьж байгаа бол долгион бүрийн үргэлжлэх хугацааг багасгаж, тусгай төхөөрөмж ашиглан тэдгээрийн тархалтыг хурдасгах боломжтой. Аттосекунд лазер үүсгэх нь процессуудын нарийн төвөгтэй харилцан үйлчлэлийг агуулдаг. Гэхдээ задалж, нүдээр харахад илүү ойлгомжтой болдог.