2023-nji ýylyň 3-nji oktýabrynda agşam geçirilen möhüm yglanda, attosekund lazer tehnologiýasy ulgamynda öňdebaryjy rol oýnan üç alymyň ajaýyp goşandyny ykrar etmek bilen, 2023-nji ýyl üçin fizika boýunça Nobel baýragy yglan edildi.

"Attosekund lazer" termini öz adyny onuň işleýän örän gysga wagt ölçeginden, hususan-da, 10^-18 sekunda deň bolan attosekundlar tertibinden alyp gelýär. Bu tehnologiýanyň çuňňur ähmiýetini düşünmek üçin attosekundyň näme aňladýandygyny düýpli düşünmek örän möhümdir. Attosekund örän minutlyk wagt birligi bolup, bir sekundyň giň kontekstinde bir sekundyň milliarddan bir milliardyny düzýär. Muny düşündirmek üçin, eger bir sekundy beýik dag bilen deňeşdirsek, attosekund dagyň eteginde ýerleşýän ýekeje gum dänesine meňzeýär. Bu gysga wagt aralygynda, hatda ýagtylyk hem aýratyn bir atomyň ululygyna deň bolan aralygy geçip bilmeýär. Attosekund lazerlerini ulanmak arkaly alymlar atom gurluşlaryndaky elektronlaryň çylşyrymly dinamikasyny, kinematografik yzygiderlilikde kadr-kadr haýal hereket gaýtalanmagyna meňzeş, şeýlelik bilen olaryň özara täsirini çuňňur öwrenmek üçin deňsiz-taýsyz ukyby gazanýarlar.

Attosekund lazerlerialymlaryň giňişleýin gözlegleriniň we bilelikde tagallalarynyň jemlemesini görkezýär, olar ultra çalt lazerleri döretmek üçin çyzykly däl optika ýörelgelerini ulandylar. Olaryň peýda bolmagy bize gaty materiallardaky atomlaryň, molekulalaryň we hatda elektronlaryň içinde bolup geçýän dinamiki prosesleri synlamak we öwrenmek üçin täze mümkinçilikler döretdi.

Attosekund lazerleriniň tebigatyny düşündirmek we olaryň adaty lazerlere garanyňda adaty bolmadyk aýratynlyklaryny bahalandyrmak üçin, olaryň has giň "lazer maşgalasy" içinde kategoriýalaşdyrylmagyny öwrenmek möhümdir. Tolkun uzynlygy boýunça klassifikasiýa attosekund lazerlerini esasan ultramelewşe we ýumşak rentgen şöhleleriniň ýygylyklarynyň aralygynda ýerleşdirýär, bu bolsa olaryň adaty lazerlerden tapawutlylykda has gysga tolkun uzynlyklaryny aňladýar. Çykyş režimleri babatda attosekund lazerleri impulsly lazerleriň kategoriýasyna girýär, bu bolsa olaryň örän gysga impuls dowamlylygy bilen häsiýetlendirilýär. Aýdyňlyk üçin deňeşdirme geçirmek üçin, üznüksiz tolkunly lazerleri üznüksiz ýagtylyk şöhlesini çykarýan çyra ýaly göz öňüne getirmek bolar, impulsly lazerler bolsa ýagtylyk we garaňkylyk döwürleri arasynda çalt üýtgeýän strob çyrasyna meňzeýär. Esasan, attosekund lazerleri ýagtylyk we garaňkylyk içinde impulsasiýa edýän häsiýeti görkezýär, ýöne olaryň iki ýagdaýyň arasyndaky geçişi haýran galdyryjy ýygylykda bolup, attosekundlar älemine ýetýär.

Kuwwat boýunça has giňişleýin kategoriýalaşdyrmak lazerleri pes kuwwatly, orta kuwwatly we ýokary kuwwatly toparlara bölýär. Attosekund lazerleri örän gysga impuls dowamlylygy sebäpli ýokary pik kuwwatyna ýetýärler, netijede belli bir pik kuwwaty (P) emele gelýär - bu birlik wagtdaky energiýanyň intensiwligi hökmünde kesgitlenýär (P=W/t). Aýry-aýry attosekund lazer impulslary adatdan daşary uly energiýa (W) eýe bolmasa-da, olaryň gysgaldylan wagt derejesi (t) olara ýokary pik kuwwatyny berýär.

Ulanylyş ugurlary babatda lazerler senagat, lukmançylyk we ylmy ulanylyşlary öz içine alýan giň gerimde ýerleşýär. Attosekund lazerleri, esasan, ylmy barlaglar ulgamynda, esasan hem fizika we himiýa ulgamlarynda çalt ösýän hadysalary öwrenmekde öz ornuny tapýar we mikrokosmos dünýäsiniň çalt dinamiki proseslerine penjire açýar.

Lazer serişdeleri boýunça kategoriýalara bölünmek lazerleri gaz lazerleri, gaty ýagdaý lazerleri, suwuk lazerler we ýarymgeçiriji lazerler hökmünde kesgitleýär. Attosekund lazerleriniň döredilmegi, adatça, ýokary derejeli garmonikalary döretmek üçin çyzykly däl optiki täsirlerden peýdalanyp, gaz lazer serişdelerine baglydyr.

Jemläp aýdylanda, attosekund lazerleri gysga impulsly lazerleriň özboluşly klasyny emele getirýär, olar adatça attosekundlarda ölçenýän adatdan daşary gysga impuls dowamlylygy bilen tapawutlanýar. Netijede, olar atomlaryň, molekulalaryň we gaty materiallaryň içinde elektronlaryň örän çalt dinamiki proseslerini synlamak we dolandyrmak üçin aýrylmaz gurallara öwrüldi.

Attosekund lazer öndürmegiň jikme-jik prosesi

Attosekund lazer tehnologiýasy ylmy innowasiýalaryň öň hatarynda durýar we ony döretmek üçin gyzykly derejede berk şertler bilen öwünýär. Attosekund lazer döretmegiň çylşyrymlylyklaryny düşündirmek üçin, biz onuň esasy ýörelgeleriniň gysgaça beýanyndan başlaýarys, soňra bolsa gündelik tejribelerden alnan aýdyň metaforalar gelýär. Degişli fizikanyň çylşyrymlylyklaryndan habarly okyjylar umytsyz bolmaly däl, sebäbi soňraky metaforalar attosekund lazerleriniň esasy fizikasyny elýeterli etmäge gönükdirilendir.

Attosekund lazerleriniň döremek prosesi, esasan, Ýokary Garmoniki Generassiýa (HHG) diýlip atlandyrylýan tehnika daýanýar. Ilki bilen, ýokary intensiwli femtosekund (10^-15 sekunt) lazer impulslarynyň şöhlesi gaz görnüşli nyşana berk fokuslanýar. Attosekund lazerlerine meňzeş femtosekund lazerleriniň gysga impuls dowamlylygyna we ýokary pik güýjüne eýe bolmak häsiýetlerine eýedigini bellemek gerek. Güýçli lazer meýdanynyň täsiri astynda gaz atomlarynyň içindäki elektronlar atom ýadrolaryndan wagtlaýynça boşadylýar we wagtlaýynça erkin elektronlaryň ýagdaýyna girýär. Bu elektronlar lazer meýdanyna jogap hökmünde yrgyldaýarka, ahyrsoňy ene atom ýadrolaryna gaýdyp gelýärler we olar bilen rekombinasiýa edýärler, täze ýokary energiýaly ýagdaýlary döredýärler.

Bu prosesde elektronlar örän ýokary tizlikler bilen hereket edýärler we atom ýadrolary bilen rekombinasiýa edilende, ýokary energiýaly fotonlar hökmünde ýüze çykýan ýokary garmoniki emissiýalar görnüşinde goşmaça energiýa çykarýarlar.

Bu täze döredilen ýokary energiýaly fotonlaryň ýygylyklary asyl lazer ýygylygynyň bitin san köpeltmeleri bolup, ýokary derejeli garmonikalar diýlip atlandyrylýan zady emele getirýär, bu ýerde "garmonikalar" asyl ýygylygyň integral köpeltmeleri bolan ýygylyklary aňladýar. Attosekund lazerlerine ýetmek üçin, bu ýokary derejeli garmonikalary süzmek we fokuslamak, belli garmonikalary saýlamak we olary fokus nokada jemlemek zerur bolýar. Isleseňiz, impulslary gysmak usullary impulsyň dowamlylygyny has-da gysgaldyp, attosekund aralygynda ultra gysga impulslary döredip biler. Görünýän ýaly, attosekund lazerleriniň döredilmegi ýokary derejeli tehniki ussatlygy we ýöriteleşdirilen enjamlary talap edýän çylşyrymly we köpugurly prosesdir.

Bu çylşyrymly prosesi düşündirmek üçin, gündelik ýagdaýlara esaslanýan metaforiki parallelligi hödürleýäris:

Ýokary intensiwli femtosekund lazer impulslary:

Ýokary intensiwli femtosekund lazer impulslarynyň oýnaýan roluna meňzeş, daşlary uly tizlikde derrew zyňyp bilýän adatdan daşary güýçli katapulta eýe bolmagyňyzy göz öňüne getiriň.

Gaz görnüşli nyşana materialy:

Suwuň her damjasy köp sanly gaz atomlaryny aňladýan, gaz görnüşli nyşana materialyny alamatlandyrýan asuda suw howdanyny göz öňüne getiriň. Daşlary bu suw howdanyna iteklemek hereketi, gaz görnüşli nyşana materialyna ýokary intensiwli femtosekund lazer impulslarynyň täsirini meňzeş görnüşde gaýtalaýar.

Elektron Hereketi we Rekombinasiýa (Fiziki taýdan Geçiş diýlip atlandyrylýar):

Femtosekund lazer impulslary gaz görnüşli nyşana materialyň içindeki gaz atomlaryna täsir edende, daşarky elektronlaryň ep-esli bölegi öz atom ýadrolaryndan aýrylýan ýagdaýa çenli bir pursatlyk tolgundyrylýar we plazma ýaly ýagdaý emele gelýär. Sistemanyň energiýasy soňra azalanda (lazer impulslary öz-özünden impulslanýar we togtadyş aralyklaryny öz içine alýar), bu daşarky elektronlar atom ýadrolarynyň golaýyna gaýdyp gelýärler we ýokary energiýaly fotonlary çykarýarlar.

Ýokary Garmoniki Nesil:

Suw damjasynyň kölüň ýüzüne gaýdyp düşen her gezek, attosekund lazerlerdäki ýokary garmonikalara meňzeş tolkunlary döredýändigini göz öňüne getiriň. Bu tolkunlaryň ilkinji femtosekund lazer impulsynyň döredýän asyl tolkunlaryndan has ýokary ýygylyklara we amplitudalara eýe. HHG prosesi mahalynda, daşlary üznüksiz zyňmaga meňzeş güýçli lazer şöhlesi, kölüň ýüzüne meňzeş gaz nyşanasyny ýagtylandyrýar. Bu güýçli lazer meýdany gazdaky elektronlary, tolkunlara meňzeş, öz ene atomlaryndan daşlaşdyrýar we soňra olary yzyna çekýär. Her gezek elektron atoma gaýdyp gelende, has çylşyrymly tolkun nagyşlaryna meňzeş ýokary ýygylykly täze lazer şöhlesini çykarýar.

Filtrlemek we fokuslamak:

Bu täze döredilen lazer şöhleleriniň ählisini birleşdirmek dürli reňkleriň (ýygylyklaryň ýa-da tolkun uzynlyklarynyň) spektrini berýär, olaryň käbiri attosekund lazerini emele getirýär. Belli bir tolkun ölçeglerini we ýygylyklaryny bölüp almak üçin, islenýän tolkunlary saýlamak ýaly ýöriteleşdirilen süzgüç ulanyp we olary belli bir ýere fokuslamak üçin ulaldyjy aýna ulanyp bilersiňiz.

Puls kompressiýasy (zerur bolsa):

Eger siz tolkunlary has çalt we gysga ýaýratmagy maksat edinýän bolsaňyz, ýöriteleşdirilen enjam arkaly olaryň ýaýramagyny çaltlaşdyryp bilersiňiz, bu bolsa her bir tolkun dowam edýän wagtyny azaldýar. Attosekund lazerleriniň döredilmegi prosesleriň çylşyrymly özara täsirini öz içine alýar. Şeýle-de bolsa, böleklere bölünip, göz öňüne getirilende, ol has düşnükli bolýar.