ในการประกาศครั้งสำคัญเมื่อเย็นวันที่ 3 ตุลาคม 2023 ได้มีการเปิดเผยรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 2023 ซึ่งเป็นการยกย่องผลงานอันโดดเด่นของนักวิทยาศาสตร์สามท่านที่มีบทบาทสำคัญในฐานะผู้บุกเบิกด้านเทคโนโลยีเลเซอร์ระดับแอตโตวินาที

คำว่า "เลเซอร์แอตโตวินาที" ได้ชื่อมาจากช่วงเวลาที่สั้นมากในการทำงาน โดยเฉพาะอย่างยิ่งในระดับแอตโตวินาที ซึ่งเทียบเท่ากับ 10^-18 วินาที เพื่อให้เข้าใจถึงความสำคัญอย่างลึกซึ้งของเทคโนโลยีนี้ จำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องเข้าใจความหมายของแอตโตวินาทีเสียก่อน แอตโตวินาทีเป็นหน่วยเวลาที่เล็กมาก คิดเป็นหนึ่งในพันล้านล้านส่วนของวินาทีในบริบทที่กว้างขึ้นของหนึ่งวินาที เพื่อให้เห็นภาพชัดเจนขึ้น หากเราเปรียบเทียบหนึ่งวินาทีกับภูเขาสูงตระหง่าน แอตโตวินาทีก็เปรียบเสมือนเม็ดทรายเพียงเม็ดเดียวที่อยู่บริเวณฐานของภูเขา ในช่วงเวลาอันแสนสั้นนี้ แม้แต่แสงก็แทบจะเดินทางได้เพียงระยะทางที่เทียบเท่ากับขนาดของอะตอมเพียงอะตอมเดียวเท่านั้น ด้วยการใช้เลเซอร์ระดับแอตโตวินาที นักวิทยาศาสตร์ได้รับความสามารถที่ไม่เคยมีมาก่อนในการตรวจสอบและควบคุมพลวัตที่ซับซ้อนของอิเล็กตรอนภายในโครงสร้างอะตอม คล้ายกับการเล่นซ้ำแบบสโลว์โมชั่นทีละเฟรมในลำดับภาพยนตร์ ซึ่งทำให้พวกเขาสามารถเจาะลึกถึงปฏิสัมพันธ์ระหว่างอิเล็กตรอนเหล่านั้นได้

เลเซอร์แอตโตวินาทีเลเซอร์ความเร็วสูงพิเศษเหล่านี้เป็นผลลัพธ์จากการวิจัยอย่างกว้างขวางและความพยายามร่วมกันของนักวิทยาศาสตร์ ที่ได้นำหลักการของทัศนศาสตร์แบบไม่เชิงเส้นมาใช้ในการสร้างเลเซอร์ความเร็วสูงพิเศษ การเกิดขึ้นของเลเซอร์เหล่านี้ทำให้เราได้มุมมองใหม่ในการสังเกตและสำรวจกระบวนการไดนามิกที่เกิดขึ้นภายในอะตอม โมเลกุล และแม้กระทั่งอิเล็กตรอนในวัสดุของแข็ง

เพื่ออธิบายธรรมชาติของเลเซอร์แอตโตวินาทีและเข้าใจคุณสมบัติที่แปลกใหม่เมื่อเทียบกับเลเซอร์ทั่วไป จำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องสำรวจการจัดหมวดหมู่ของเลเซอร์แอตโตวินาทีภายใน "ตระกูลเลเซอร์" ที่กว้างขึ้น การจำแนกตามความยาวคลื่นทำให้เลเซอร์แอตโตวินาทีส่วนใหญ่อยู่ในช่วงความถี่อัลตราไวโอเลตถึงรังสีเอ็กซ์อ่อน ซึ่งแสดงให้เห็นถึงความยาวคลื่นที่สั้นกว่าอย่างเห็นได้ชัดเมื่อเทียบกับเลเซอร์ทั่วไป ในแง่ของโหมดเอาต์พุต เลเซอร์แอตโตวินาทีจัดอยู่ในประเภทของเลเซอร์แบบพัลส์ ซึ่งมีลักษณะเฉพาะคือระยะเวลาพัลส์ที่สั้นมาก เพื่อให้เข้าใจง่ายขึ้น เราอาจนึกภาพเลเซอร์แบบคลื่นต่อเนื่องคล้ายกับไฟฉายที่ปล่อยลำแสงต่อเนื่อง ในขณะที่เลเซอร์แบบพัลส์คล้ายกับไฟแฟลชที่สลับไปมาระหว่างช่วงเวลาสว่างและมืดอย่างรวดเร็ว โดยพื้นฐานแล้ว เลเซอร์แอตโตวินาทีแสดงพฤติกรรมแบบพัลส์ระหว่างช่วงเวลาสว่างและมืด แต่การเปลี่ยนผ่านระหว่างสองสถานะนี้เกิดขึ้นด้วยความถี่ที่น่าทึ่ง ซึ่งอยู่ในระดับแอตโตวินาที

การแบ่งประเภทเพิ่มเติมตามกำลังทำให้เลเซอร์แบ่งออกเป็นกลุ่มกำลังต่ำ กำลังปานกลาง และกำลังสูง เลเซอร์แอตโตวินาทีมีกำลังสูงสุดสูงเนื่องจากระยะเวลาพัลส์สั้นมาก ส่งผลให้มีกำลังสูงสุด (P) ที่เด่นชัด – ซึ่งกำหนดเป็นความเข้มของพลังงานต่อหน่วยเวลา (P=W/t) แม้ว่าพัลส์เลเซอร์แอตโตวินาทีแต่ละพัลส์อาจไม่ได้มีพลังงาน (W) สูงเป็นพิเศษ แต่ระยะเวลาที่สั้น (t) ทำให้มีกำลังสูงสุดสูงขึ้น

ในแง่ของขอบเขตการใช้งาน เลเซอร์ครอบคลุมการใช้งานที่หลากหลาย ตั้งแต่ภาคอุตสาหกรรม การแพทย์ และวิทยาศาสตร์ เลเซอร์ระดับแอตโตวินาทีมีบทบาทสำคัญอย่างยิ่งในงานวิจัยทางวิทยาศาสตร์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการสำรวจปรากฏการณ์ที่เปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วในสาขาฟิสิกส์และเคมี ซึ่งเปิดโอกาสให้มองเห็นกระบวนการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วในโลกจุลภาค

การจำแนกประเภทเลเซอร์ตามตัวกลางเลเซอร์ทำให้สามารถแบ่งเลเซอร์ออกเป็นเลเซอร์ก๊าซ เลเซอร์โซลิดสเตต เลเซอร์ของเหลว และเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ การสร้างเลเซอร์ระดับแอตโตวินาทีโดยทั่วไปอาศัยตัวกลางเลเซอร์ก๊าซ โดยใช้ประโยชน์จากปรากฏการณ์ทางแสงแบบไม่เชิงเส้นเพื่อสร้างฮาร์โมนิกส์ลำดับสูง

โดยสรุปแล้ว เลเซอร์แอตโตวินาทีเป็นเลเซอร์พัลส์สั้นชนิดพิเศษที่มีลักษณะเด่นคือระยะเวลาพัลส์สั้นมาก โดยทั่วไปวัดเป็นหน่วยแอตโตวินาที ด้วยเหตุนี้ เลเซอร์ชนิดนี้จึงกลายเป็นเครื่องมือที่ขาดไม่ได้สำหรับการสังเกตและควบคุมกระบวนการไดนามิกที่รวดเร็วมากของอิเล็กตรอนภายในอะตอม โมเลกุล และวัสดุของแข็ง

กระบวนการที่ซับซ้อนของการสร้างเลเซอร์แอตโตวินาที

เทคโนโลยีเลเซอร์ระดับแอตโตวินาทีถือเป็นนวัตกรรมล้ำหน้าทางวิทยาศาสตร์ โดยมีเงื่อนไขการสร้างที่เข้มงวดอย่างน่าทึ่ง เพื่อให้เข้าใจความซับซ้อนของการสร้างเลเซอร์ระดับแอตโตวินาที เราจะเริ่มต้นด้วยการอธิบายหลักการพื้นฐานอย่างกระชับ ตามด้วยอุปมาอุปไมยที่ชัดเจนซึ่งได้มาจากประสบการณ์ในชีวิตประจำวัน ผู้อ่านที่ไม่คุ้นเคยกับความซับซ้อนของฟิสิกส์ที่เกี่ยวข้องไม่ต้องกังวล เพราะอุปมาอุปไมยที่จะตามมาจะช่วยให้เข้าใจฟิสิกส์พื้นฐานของเลเซอร์ระดับแอตโตวินาทีได้ง่ายขึ้น

กระบวนการสร้างเลเซอร์แอตโตวินาทีส่วนใหญ่ใช้เทคนิคที่เรียกว่า การสร้างฮาร์มอนิกสูง (High Harmonic Generation หรือ HHG) ขั้นแรก ลำแสงเลเซอร์เฟมโตวินาที (10^-15 วินาที) ที่มีความเข้มสูงจะถูกโฟกัสอย่างแน่นหนาไปยังวัสดุเป้าหมายที่เป็นก๊าซ ควรทราบว่าเลเซอร์เฟมโตวินาที เช่นเดียวกับเลเซอร์แอตโตวินาที มีลักษณะร่วมกันคือ มีระยะเวลาพัลส์สั้นและกำลังสูงสุดสูง ภายใต้ผลกระทบของสนามเลเซอร์ที่มีความเข้มสูง อิเล็กตรอนภายในอะตอมของก๊าซจะถูกปลดปล่อยออกจากนิวเคลียสของอะตอมชั่วขณะ เข้าสู่สถานะของอิเล็กตรอนอิสระชั่วคราว เมื่ออิเล็กตรอนเหล่านี้สั่นไหวตอบสนองต่อสนามเลเซอร์ ในที่สุดพวกมันจะกลับไปรวมตัวกับนิวเคลียสของอะตอมเดิม สร้างสถานะพลังงานสูงใหม่ขึ้น

ในกระบวนการนี้ อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงมาก และเมื่อรวมตัวกับนิวเคลียสของอะตอม พวกมันจะปล่อยพลังงานเพิ่มเติมออกมาในรูปของการปล่อยคลื่นความถี่สูง ซึ่งปรากฏออกมาเป็นโฟตอนพลังงานสูง

ความถี่ของโฟตอนพลังงานสูงที่เกิดขึ้นใหม่เหล่านี้เป็นจำนวนเต็มเท่าของความถี่เลเซอร์ดั้งเดิม ก่อให้เกิดสิ่งที่เรียกว่าฮาร์โมนิกส์ลำดับสูง โดยที่ "ฮาร์โมนิกส์" หมายถึงความถี่ที่เป็นจำนวนเต็มเท่าของความถี่ดั้งเดิม เพื่อให้ได้เลเซอร์ระดับแอตโตวินาที จำเป็นต้องกรองและโฟกัสฮาร์โมนิกส์ลำดับสูงเหล่านี้ โดยเลือกฮาร์โมนิกส์เฉพาะและรวมไว้ที่จุดโฟกัส หากต้องการ สามารถใช้เทคนิคการบีบอัดพัลส์เพื่อลดระยะเวลาของพัลส์ลงได้อีก ทำให้ได้พัลส์สั้นมากในช่วงแอตโตวินาที เห็นได้ชัดว่า การสร้างเลเซอร์ระดับแอตโตวินาทีเป็นกระบวนการที่ซับซ้อนและหลากหลาย ต้องอาศัยความเชี่ยวชาญทางเทคนิคและอุปกรณ์เฉพาะทางในระดับสูง

เพื่อลดความซับซ้อนของกระบวนการนี้ เราจึงนำเสนอตัวอย่างเปรียบเทียบที่อิงจากสถานการณ์ในชีวิตประจำวัน:

พัลส์เลเซอร์เฟมโตวินาทีความเข้มสูง:

ลองนึกภาพว่าคุณมีเครื่องยิงหินทรงพลังเป็นพิเศษที่สามารถยิงก้อนหินด้วยความเร็วมหาศาลในทันที คล้ายกับบทบาทของพัลส์เลเซอร์เฟมโตวินาทีความเข้มสูง

วัสดุเป้าหมายที่เป็นก๊าซ:

ลองนึกภาพผืนน้ำอันสงบนิ่งที่เปรียบเสมือนวัสดุเป้าหมายที่เป็นก๊าซ โดยที่หยดน้ำแต่ละหยดแทนอะตอมของก๊าซจำนวนนับไม่ถ้วน การขว้างก้อนหินลงไปในผืนน้ำนี้เปรียบเสมือนการยิงเลเซอร์เฟมโตวินาทีความเข้มสูงใส่ลงไปในวัสดุเป้าหมายที่เป็นก๊าซ

การเคลื่อนที่และการรวมตัวใหม่ของอิเล็กตรอน (ในทางกายภาพเรียกว่า การเปลี่ยนสถานะ):

เมื่อพัลส์เลเซอร์เฟมโตวินาทีพุ่งชนอะตอมของก๊าซภายในวัสดุเป้าหมายที่เป็นก๊าซ อิเล็กตรอนวงนอกจำนวนมากจะถูกกระตุ้นชั่วขณะหนึ่งจนหลุดออกจากนิวเคลียสของอะตอม ทำให้เกิดสถานะคล้ายพลาสมา เมื่อพลังงานของระบบลดลง (เนื่องจากพัลส์เลเซอร์เป็นแบบพัลส์ที่มีช่วงหยุด) อิเล็กตรอนวงนอกเหล่านี้จะกลับไปยังบริเวณใกล้เคียงกับนิวเคลียสของอะตอม ปล่อยโฟตอนพลังงานสูงออกมา

การสร้างฮาร์มอนิกสูง:

ลองนึกภาพว่าทุกครั้งที่หยดน้ำตกลงสู่ผิวน้ำในทะเลสาบ มันจะสร้างระลอกคลื่น คล้ายกับฮาร์โมนิกสูงในเลเซอร์แอตโตวินาที ระลอกคลื่นเหล่านี้มีความถี่และแอมพลิจูดสูงกว่าระลอกคลื่นดั้งเดิมที่เกิดจากพัลส์เลเซอร์เฟมโตวินาทีหลัก ในกระบวนการ HHG ลำแสงเลเซอร์อันทรงพลัง คล้ายกับการขว้างก้อนหินอย่างต่อเนื่อง จะส่องสว่างเป้าหมายที่เป็นก๊าซ ซึ่งคล้ายกับผิวน้ำในทะเลสาบ สนามเลเซอร์ที่เข้มข้นนี้จะผลักอิเล็กตรอนในก๊าซ คล้ายกับระลอกคลื่น ออกจากอะตอมดั้งเดิมแล้วดึงพวกมันกลับมา ทุกครั้งที่อิเล็กตรอนกลับเข้าสู่อะตอม มันจะปล่อยลำแสงเลเซอร์ใหม่ที่มีความถี่สูงกว่า คล้ายกับลวดลายระลอกคลื่นที่ซับซ้อนยิ่งขึ้น

การกรองและการโฟกัส:

การรวมลำแสงเลเซอร์ที่สร้างขึ้นใหม่ทั้งหมดเหล่านี้จะให้สเปกตรัมของสีต่างๆ (ความถี่หรือความยาวคลื่น) ซึ่งบางส่วนประกอบเป็นเลเซอร์แอตโตวินาที ในการแยกขนาดและความถี่ของระลอกคลื่นที่ต้องการ คุณสามารถใช้ตัวกรองพิเศษ คล้ายกับการเลือกระลอกคลื่นที่ต้องการ และใช้แว่นขยายเพื่อโฟกัสไปยังบริเวณเฉพาะ

การบีบอัดชีพจร (ถ้าจำเป็น):

หากคุณต้องการทำให้คลื่นแพร่กระจายเร็วขึ้นและสั้นลง คุณสามารถเร่งการแพร่กระจายได้โดยใช้อุปกรณ์พิเศษ ซึ่งจะช่วยลดระยะเวลาของแต่ละคลื่นลง การสร้างเลเซอร์ระดับแอตโตวินาทีเกี่ยวข้องกับการทำงานร่วมกันของกระบวนการที่ซับซ้อน อย่างไรก็ตาม เมื่อแยกย่อยและแสดงภาพออกมาแล้ว ก็จะเข้าใจได้ง่ายขึ้น