2023 оны 10-р сарын 3-ны орой болсон чухал мэдэгдэлд 2023 оны Физикийн Нобелийн шагналыг нээж, аттосекундын лазер технологийн салбарт анхдагчдын хувьд чухал үүрэг гүйцэтгэсэн гурван эрдэмтний онцгой хувь нэмрийг үнэлэв.

"Аттосекунд лазер" гэдэг нэр томъёо нь түүний ажилладаг маш богино хугацааны хэмжүүрээс, ялангуяа 10^-18 секундтэй тэнцэх аттосекундын дарааллаас үүдэлтэй. Энэхүү технологийн гүн гүнзгий ач холбогдлыг ойлгохын тулд аттосекунд юуг илэрхийлдэгийг үндсэн ойлголттой байх нь чухал юм. Аттосекунд гэдэг нь маш богино хугацааны нэгж бөгөөд нэг секундын өргөн хүрээнд секундын тэрбумын нэг тэрбумыг эзэлдэг. Үүнийг илүү тодорхой болгохын тулд хэрэв бид секундыг өндөр уултай зүйрлэвэл аттосекунд нь уулын ёроолд байрлах элсний ганц ширхэгтэй адил байх болно. Энэхүү түр зуурын цаг хугацааны интервалд гэрэл ч гэсэн атомын хэмжээтэй тэнцэх зайг арай ядан туулж чаддаг. Аттосекунд лазерыг ашигласнаар эрдэмтэд атомын бүтэц доторх электронуудын нарийн төвөгтэй динамикийг нягтлан шалгаж, удирдах урьд өмнө байгаагүй чадварыг олж авдаг бөгөөд энэ нь киноны дарааллаар кадраар удаашруулсан хөдөлгөөнийг давтаж байгаатай адил бөгөөд ингэснээр тэдгээрийн харилцан үйлчлэлийг гүнзгийрүүлэн судлах боломжийг олж авдаг.

Аттосекундын лазерууднь шугаман бус оптикийн зарчмуудыг ашиглан хэт хурдан лазер бүтээж буй эрдэмтдийн өргөн хүрээтэй судалгаа, хамтын хүчин чармайлтын оргил үеийг илэрхийлдэг. Тэдний гарч ирснээр бидэнд хатуу материалын атом, молекул, тэр ч байтугай электронуудын дотор явагдаж буй динамик процессуудыг ажиглах, судлах шинэлэг боломжийг олгосон.

Аттосекунд лазерын мөн чанарыг тодруулж, уламжлалт лазертай харьцуулахад тэдгээрийн уламжлалт бус шинж чанаруудыг үнэлэхийн тулд тэдгээрийн ангиллыг илүү өргөн хүрээтэй "лазерын гэр бүл" дотор судлах нь зайлшгүй чухал юм. Долгионы уртаар ангилах нь аттосекунд лазерыг голчлон хэт ягаан туяанаас зөөлөн рентген туяаны давтамжийн хүрээнд байрлуулдаг бөгөөд энэ нь уламжлалт лазераас ялгаатай нь мэдэгдэхүйц богино долгионы урттай болохыг илтгэнэ. Гаралтын горимын хувьд аттосекунд лазерууд нь импульсийн үргэлжлэх хугацаа нь маш богино байдгаараа онцлогтой импульсийн лазерын ангилалд багтдаг. Тодорхой болгохын тулд тасралтгүй долгионы лазеруудыг тасралтгүй гэрлийн цацраг ялгаруулдаг гар чийдэнтэй төстэй гэж төсөөлж болох бол импульсийн лазерууд нь гэрэлтүүлэг ба харанхуйн үеүүдийн хооронд хурдан ээлжлэн солигддог стробоскоп гэрэлтэй төстэй байдаг. Үндсэндээ аттосекунд лазерууд нь гэрэлтүүлэг ба харанхуйд импульсийн зан үйлийг харуулдаг боловч хоёр төлөвийн хоорондох шилжилт нь гайхалтай давтамжтайгаар явагддаг бөгөөд аттосекундын хүрээнд хүрдэг.

Чадлын ангилалд лазеруудыг бага чадлын, дунд чадлын, өндөр чадлын гэсэн ангилалд оруулдаг. Аттосекундын лазерууд нь импульсийн хугацаа маш богино тул өндөр оргил чадлын түвшинд хүрдэг бөгөөд үүний үр дүнд оргил чадлын тод илрэл (P) үүсдэг бөгөөд энэ нь нэгж хугацаанд ногдох энергийн эрч хүчээр тодорхойлогддог (P=W/t). Хэдийгээр аттосекундын лазерын импульс тус бүр нь маш их энерги (W) агуулаагүй байж болох ч тэдгээрийн товчилсон цаг хугацааны хэмжээ (t) нь тэдэнд өндөр оргил чадлын мэдрэмжийг өгдөг.

Хэрэглээний хүрээний хувьд лазерууд нь аж үйлдвэр, анагаах ухаан, шинжлэх ухааны хэрэглээг хамарсан өргөн хүрээг хамардаг. Аттосекундын лазерууд нь голчлон шинжлэх ухааны судалгааны хүрээнд, ялангуяа физик, химийн чиглэлээр хурдацтай хөгжиж буй үзэгдлийг судлах чиглэлээр өөрийн байр сууриа олж, бичил ертөнцийн хурдацтай динамик үйл явцыг харах боломжийг олгодог.

Лазерын хэрэгслээр ангилахдаа лазеруудыг хийн лазер, хатуу төлөвт лазер, шингэн лазер, хагас дамжуулагч лазер гэж ангилдаг. Аттосекундын лазер үүсгэх нь ихэвчлэн хийн лазерын хэрэгслээс хамаардаг бөгөөд шугаман бус оптик эффектийг ашиглан өндөр эрэмбийн гармоник үүсгэдэг.

Товчхондоо, аттосекундын лазерууд нь богино импульсийн лазеруудын өвөрмөц ангиллыг бүрдүүлдэг бөгөөд ихэвчлэн аттосекундээр хэмжигддэг ер бусын богино импульсийн үргэлжлэх хугацаагаараа ялгардаг. Үүний үр дүнд тэдгээр нь атом, молекул болон хатуу материалын доторх электронуудын хэт хурдан динамик процессуудыг ажиглах, хянах зайлшгүй хэрэгсэл болсон.

Аттосекундын лазер үүсгэх нарийвчилсан процесс

Аттосекундын лазер технологи нь шинжлэх ухааны инновацийн тэргүүн эгнээнд зогсож, түүнийг үүсгэхэд зориулсан сонирхолтой хатуу нөхцөлүүдтэй. Аттосекундын лазер үүсгэх нарийн төвөгтэй байдлыг тодруулахын тулд бид түүний үндсэн зарчмуудын товч тайлбараас эхэлж, дараа нь өдөр тутмын туршлагаас үүдэлтэй тод метафоруудыг оруулна. Холбогдох физикийн нарийн төвөгтэй байдлыг мэддэг уншигчид цөхрөлгүй байх ёстой, учир нь дараагийн метафорууд нь аттосекундын лазерын үндсэн физикийг хүртээмжтэй болгох зорилготой юм.

Аттосекундын лазер үүсгэх үйл явц нь голчлон Өндөр Гармоник Үелэлт (HHG) гэгддэг техникт суурилдаг. Нэгдүгээрт, өндөр эрчимтэй фемтосекунд (10^-15 секунд) лазерын импульсийн туяа нь хийн бай материал дээр нягт төвлөрдөг. Аттосекундын лазертай адил фемтосекундын лазерууд нь богино импульсийн үргэлжлэх хугацаа болон өндөр оргил чадалтай байх шинж чанартай гэдгийг тэмдэглэх нь зүйтэй. Хүчтэй лазерын талбайн нөлөөн дор хийн атомууд доторх электронууд атомын цөмөөсөө түр зуур чөлөөлөгдөж, чөлөөт электроны төлөвт ордог. Эдгээр электронууд лазерын талбайд хариу үйлдэл үзүүлэхдээ эцэст нь эх атомын цөм рүүгээ буцаж, дахин нэгдэж, шинэ өндөр энергийн төлөвүүдийг бий болгодог.

Энэ процессын үед электронууд маш өндөр хурдтай хөдөлдөг бөгөөд атомын цөмтэй рекомбинаци хийх үед тэд өндөр гармоник ялгаралтын хэлбэрээр нэмэлт энерги ялгаруулж, өндөр энергитэй фотон хэлбэрээр илэрдэг.

Эдгээр шинээр үүсгэсэн өндөр энергитэй фотонуудын давтамжууд нь анхны лазерын давтамжийн бүхэл тоон үржвэрүүд бөгөөд өндөр эрэмбийн гармоник гэж нэрлэгддэг зүйлийг үүсгэдэг бөгөөд "гармоник" нь анхны давтамжийн интеграл үржвэрүүд болох давтамжийг хэлнэ. Аттосекундын лазеруудыг авахын тулд эдгээр өндөр эрэмбийн гармоникуудыг шүүж, төвлөрүүлэх, тодорхой гармоникуудыг сонгож, фокусын цэгт төвлөрүүлэх шаардлагатай болдог. Хэрэв хүсвэл импульсийн шахалтын техникүүд нь импульсийн үргэлжлэх хугацааг богиносгож, аттосекундын хүрээнд хэт богино импульс үүсгэж болно. Аттосекундын лазеруудыг үүсгэх нь өндөр түвшний техникийн ур чадвар, тусгай тоног төхөөрөмж шаарддаг нарийн төвөгтэй, олон талт үйл явц юм.

Энэхүү нарийн төвөгтэй үйл явцыг тайлбарлахын тулд бид өдөр тутмын нөхцөл байдалд үндэслэсэн зүйрлэлийн зэрэгцээг санал болгож байна:

Өндөр эрчимтэй фемтосекундын лазер импульс:

Өндөр эрчимтэй фемтосекундын лазер импульсийн үүрэгтэй адил асар том хурдаар чулууг шууд шидэх чадвартай онцгой хүчтэй катапульттай гэж төсөөлөөд үз дээ.

Хийн хэлбэрийн бай материал:

Усны дусал бүр нь тоо томшгүй олон хийн атомыг төлөөлдөг хийн бай материалыг бэлгэддэг тайван усны биетийг төсөөлөөд үз дээ. Чулууг энэ усан биет рүү түлхэх үйлдэл нь хийн бай материалд өндөр эрчимтэй фемтосекундын лазер импульсийн нөлөөллийг адилхан тусгадаг.

Электроны хөдөлгөөн ба рекомбинаци (Физикийн хувьд шилжилт гэж нэрлэдэг):

Фемтосекундын лазер импульс нь хийн бай материалын доторх хийн атомуудад нөлөөлөх үед гадаад электронуудын нэлээд хэсэг нь тус тусын атомын цөмөөсөө салж, плазмтай төстэй төлөвт түр зуур өдөөгддөг. Системийн энерги дараа нь буурах үед (лазер импульс нь төрөлхийн импульстэй бөгөөд зогсолтын интервалтай байдаг тул) эдгээр гадаад электронууд атомын цөмүүдийн ойролцоо буцаж очоод өндөр энергийн фотонуудыг ялгаруулдаг.

Өндөр гармоник үе:

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

Шүүлтүүр ба фокуслах:

Эдгээр шинээр үүсгэсэн лазер туяаг нэгтгэснээр янз бүрийн өнгөний (давтамж эсвэл долгионы урт) спектрийг гаргаж авдаг бөгөөд тэдгээрийн зарим нь аттосекундын лазерыг бүрдүүлдэг. Тодорхой долгионы хэмжээ болон давтамжийг ялгахын тулд та хүссэн долгионыг сонгохтой адил тусгай шүүлтүүр ашиглаж, тэдгээрийг тодорхой хэсэгт төвлөрүүлэхийн тулд томруулдаг шил ашиглаж болно.

Пульсийн шахалт (шаардлагатай бол):

Хэрэв та долгионыг илүү хурдан бөгөөд богино хугацаанд тараахыг зорьж байгаа бол тусгай төхөөрөмж ашиглан тэдгээрийн тархалтыг хурдасгаж, долгион бүрийн үргэлжлэх хугацааг багасгаж болно. Аттосекундын лазер үүсгэх нь үйл явцын нарийн төвөгтэй харилцан үйлчлэлийг хамардаг. Гэсэн хэдий ч задалж, дүрслэхэд илүү ойлгомжтой болдог.