ในการประกาศครั้งสำคัญเมื่อค่ำวันที่ 3 ตุลาคม 2023 รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 2023 ได้ถูกเปิดเผย เพื่อยกย่องผลงานอันโดดเด่นของนักวิทยาศาสตร์ 3 คนที่มีบทบาทสำคัญในการบุกเบิกเทคโนโลยีเลเซอร์แอตโตวินาที

คำว่า "เลเซอร์แอตโตวินาที" ได้มาจากช่วงเวลาอันสั้นอย่างเหลือเชื่อที่มันทำงาน โดยเฉพาะอย่างยิ่งในลำดับของแอตโตวินาที ซึ่งเทียบเท่ากับ 10-18 วินาที เพื่อให้เข้าใจถึงความสำคัญอย่างลึกซึ้งของเทคโนโลยีนี้ ความเข้าใจพื้นฐานเกี่ยวกับความหมายของแอตโตวินาทีจึงเป็นสิ่งสำคัญยิ่ง แอตโตวินาทีเป็นหน่วยเวลาที่เล็กมาก คิดเป็นหนึ่งส่วนพันล้านของหนึ่งส่วนพันล้านของวินาทีในบริบทที่กว้างกว่าของหนึ่งวินาที หากเปรียบเทียบสิ่งนี้ หากเราเปรียบเทียบหนึ่งวินาทีกับภูเขาสูงตระหง่าน แอตโตวินาทีก็จะเทียบเท่ากับเม็ดทรายเพียงเม็ดเดียวที่ซ่อนตัวอยู่ที่เชิงเขา ในช่วงเวลาอันสั้นนี้ แม้แต่แสงก็แทบจะเดินทางในระยะทางที่เทียบเท่ากับขนาดของอะตอมหนึ่งอะตอมไม่ได้ ด้วยการใช้เลเซอร์แอตโตวินาที นักวิทยาศาสตร์จึงได้รับความสามารถที่ไม่เคยมีมาก่อนในการตรวจสอบและควบคุมพลวัตที่ซับซ้อนของอิเล็กตรอนภายในโครงสร้างอะตอม ซึ่งคล้ายกับการเล่นซ้ำแบบสโลว์โมชั่นแบบเฟรมต่อเฟรมในลำดับภาพยนตร์ จึงสามารถเจาะลึกถึงปฏิสัมพันธ์ระหว่างกันของอิเล็กตรอนได้

เลเซอร์แอตโตวินาทีแสดงให้เห็นถึงผลสำเร็จของการวิจัยอย่างกว้างขวางและความพยายามร่วมกันของนักวิทยาศาสตร์ ซึ่งได้นำหลักการของทัศนศาสตร์แบบไม่เชิงเส้นมาประยุกต์ใช้เพื่อสร้างเลเซอร์ความเร็วสูงพิเศษ การถือกำเนิดของเลเซอร์เหล่านี้ได้มอบมุมมองเชิงนวัตกรรมใหม่ให้แก่เราสำหรับการสังเกตและสำรวจกระบวนการพลวัตที่เกิดขึ้นภายในอะตอม โมเลกุล และแม้แต่อิเล็กตรอนในวัสดุแข็ง

เพื่ออธิบายธรรมชาติของเลเซอร์แอตโตเซคันด์และประเมินคุณสมบัติที่แปลกใหม่เมื่อเทียบกับเลเซอร์ทั่วไป จำเป็นต้องศึกษาการจำแนกประเภทเลเซอร์เหล่านี้ใน "ตระกูลเลเซอร์" ที่กว้างขึ้น การจำแนกประเภทตามความยาวคลื่นทำให้เลเซอร์แอตโตเซคันด์ส่วนใหญ่อยู่ในช่วงความถี่อัลตราไวโอเลตถึงรังสีเอกซ์อ่อน ซึ่งบ่งชี้ว่ามีความยาวคลื่นที่สั้นกว่าอย่างเห็นได้ชัดเมื่อเทียบกับเลเซอร์ทั่วไป ในแง่ของโหมดเอาต์พุต เลเซอร์แอตโตเซคันด์จัดอยู่ในประเภทของเลเซอร์พัลส์ ซึ่งมีระยะเวลาพัลส์ที่สั้นมาก เพื่อความชัดเจนยิ่งขึ้น เราอาจเปรียบเทียบเลเซอร์คลื่นต่อเนื่องกับไฟฉายที่ปล่อยลำแสงต่อเนื่อง ในขณะที่เลเซอร์พัลส์กับแสงแฟลชที่สลับระหว่างช่วงเวลาสว่างและมืดอย่างรวดเร็ว โดยพื้นฐานแล้ว เลเซอร์แอตโตเซคันด์แสดงพฤติกรรมการเต้นเป็นจังหวะภายในช่วงเวลาสว่างและมืด แต่การเปลี่ยนสถานะระหว่างสองสถานะเกิดขึ้นที่ความถี่ที่น่าทึ่ง จนถึงระดับแอตโตเซคันด์

การแบ่งประเภทเลเซอร์ตามกำลังเพิ่มเติมจะแบ่งเลเซอร์ออกเป็นกำลังต่ำ กำลังปานกลาง และกำลังสูง เลเซอร์แอตโตวินาทีมีกำลังสูงสุดสูงเนื่องจากมีระยะเวลาพัลส์ที่สั้นมาก ส่งผลให้มีกำลังสูงสุด (P) ที่ชัดเจน ซึ่งนิยามว่าเป็นความเข้มของพลังงานต่อหน่วยเวลา (P=W/t) แม้ว่าพัลส์เลเซอร์แอตโตวินาทีแต่ละพัลส์อาจไม่มีพลังงานสูงเป็นพิเศษ (W) แต่ขอบเขตเวลาที่สั้นลง (t) ทำให้มีกำลังสูงสุดที่สูงขึ้น

ในแง่ของขอบเขตการประยุกต์ใช้ เลเซอร์ครอบคลุมหลากหลายสาขา ทั้งภาคอุตสาหกรรม การแพทย์ และวิทยาศาสตร์ เลเซอร์ Attosecond มักถูกนำไปใช้ในงานวิจัยทางวิทยาศาสตร์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการสำรวจปรากฏการณ์ที่พัฒนาอย่างรวดเร็วในสาขาฟิสิกส์และเคมี ซึ่งเป็นเสมือนหน้าต่างสู่กระบวนการพลวัตอันรวดเร็วของโลกจุลภาค

การแบ่งประเภทตามตัวกลางเลเซอร์ แบ่งเลเซอร์ออกเป็น เลเซอร์แก๊ส เลเซอร์โซลิดสเตต เลเซอร์ของเหลว และเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ การสร้างเลเซอร์อัตโตวินาทีโดยทั่วไปจะขึ้นอยู่กับตัวกลางเลเซอร์แก๊ส โดยใช้ประโยชน์จากเอฟเฟกต์แสงแบบไม่เชิงเส้นเพื่อสร้างฮาร์โมนิกอันดับสูง

โดยสรุปแล้ว เลเซอร์อัตโตวินาทีถือเป็นเลเซอร์พัลส์สั้นประเภทหนึ่งที่มีลักษณะเฉพาะ โดดเด่นด้วยระยะเวลาพัลส์ที่สั้นมากเป็นพิเศษ โดยทั่วไปวัดเป็นอัตโตวินาที ส่งผลให้เลเซอร์นี้กลายเป็นเครื่องมือที่ขาดไม่ได้สำหรับการสังเกตและควบคุมกระบวนการพลวัตอิเล็กตรอนที่รวดเร็วมากภายในอะตอม โมเลกุล และวัสดุแข็ง

กระบวนการที่ซับซ้อนของการสร้างเลเซอร์ Attosecond

เทคโนโลยีเลเซอร์แอตโตเซคันด์ถือเป็นผู้นำด้านนวัตกรรมทางวิทยาศาสตร์ ด้วยเงื่อนไขอันเข้มงวดและน่าสนใจสำหรับการสร้างเทคโนโลยีนี้ เพื่ออธิบายความซับซ้อนของการสร้างเลเซอร์แอตโตเซคันด์ เราจะเริ่มต้นด้วยการอธิบายหลักการพื้นฐานอย่างกระชับ ตามด้วยการเปรียบเทียบที่ชัดเจนจากประสบการณ์ในชีวิตประจำวัน ผู้อ่านที่ไม่คุ้นเคยกับความซับซ้อนของฟิสิกส์ที่เกี่ยวข้องไม่ต้องสิ้นหวัง เพราะการเปรียบเทียบเหล่านี้มีจุดมุ่งหมายเพื่อทำให้ฟิสิกส์พื้นฐานของเลเซอร์แอตโตเซคันด์เข้าถึงได้ง่ายขึ้น

กระบวนการสร้างเลเซอร์แบบอัตโตวินาทีอาศัยเทคนิคที่เรียกว่า High Harmonic Generation (HHG) เป็นหลัก ขั้นแรก ลำแสงพัลส์เลเซอร์เฟมโตวินาทีความเข้มสูง (10-15 วินาที) จะถูกโฟกัสอย่างแน่นหนาไปยังวัสดุเป้าหมายที่เป็นก๊าซ เลเซอร์เฟมโตวินาที ซึ่งคล้ายกับเลเซอร์อัตโตวินาที มีคุณสมบัติเหมือนกันคือมีระยะเวลาพัลส์สั้นและกำลังสูงสุดสูง ภายใต้อิทธิพลของสนามเลเซอร์ที่มีความเข้มสูง อิเล็กตรอนภายในอะตอมของก๊าซจะถูกปลดปล่อยออกจากนิวเคลียสอะตอมชั่วขณะ เข้าสู่สถานะอิเล็กตรอนอิสระชั่วคราว เมื่ออิเล็กตรอนเหล่านี้สั่นตอบสนองต่อสนามเลเซอร์ อิเล็กตรอนจะกลับคืนสู่นิวเคลียสอะตอมเดิมและรวมตัวใหม่อีกครั้ง ก่อให้เกิดสถานะพลังงานสูงใหม่

ในระหว่างกระบวนการนี้ อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงมาก และเมื่อรวมตัวใหม่กับนิวเคลียสของอะตอม อิเล็กตรอนจะปล่อยพลังงานเพิ่มเติมออกมาในรูปแบบของการแผ่รังสีฮาร์มอนิกสูง ซึ่งปรากฏออกมาเป็นโฟตอนพลังงานสูง

ความถี่ของโฟตอนพลังงานสูงที่สร้างขึ้นใหม่เหล่านี้มีค่าเป็นจำนวนเต็มคูณของความถี่เลเซอร์เดิม ก่อให้เกิดสิ่งที่เรียกว่าฮาร์มอนิกส์อันดับสูง โดยที่ "ฮาร์มอนิกส์" หมายถึงความถี่ที่เป็นจำนวนเต็มคูณของความถี่เดิม เพื่อให้ได้เลเซอร์แอตโตวินาที จำเป็นต้องกรองและโฟกัสฮาร์มอนิกส์อันดับสูงเหล่านี้ โดยเลือกฮาร์มอนิกส์เฉพาะและรวมเข้าด้วยกันที่จุดโฟกัส หากต้องการ เทคนิคการบีบอัดพัลส์สามารถลดระยะเวลาของพัลส์ลงได้อีก ทำให้เกิดพัลส์ที่สั้นมากในช่วงแอตโตวินาที เห็นได้ชัดว่าการสร้างเลเซอร์แอตโตวินาทีเป็นกระบวนการที่ซับซ้อนและหลากหลาย ซึ่งต้องใช้ความเชี่ยวชาญทางเทคนิคและอุปกรณ์เฉพาะทางในระดับสูง

เพื่อคลี่คลายความลึกลับของกระบวนการอันซับซ้อนนี้ เราขอเสนอการเปรียบเทียบเชิงเปรียบเทียบจากสถานการณ์ในชีวิตประจำวัน:

พัลส์เลเซอร์เฟมโตวินาทีความเข้มสูง:

ลองจินตนาการถึงการมีเครื่องยิงหินที่ทรงพลังเป็นพิเศษ ซึ่งสามารถขว้างก้อนหินด้วยความเร็วมหาศาลได้ในทันที ซึ่งเทียบเท่ากับบทบาทของพัลส์เลเซอร์เฟมโตวินาทีที่มีความเข้มสูง

วัสดุเป้าหมายที่เป็นก๊าซ:

ลองนึกภาพผืนน้ำอันเงียบสงบซึ่งเป็นสัญลักษณ์ของวัสดุเป้าหมายที่เป็นก๊าซ โดยหยดน้ำแต่ละหยดแทนอะตอมของก๊าซนับไม่ถ้วน การกระทำที่ผลักหินลงไปในผืนน้ำนี้สะท้อนถึงผลกระทบของพัลส์เลเซอร์เฟมโตวินาทีความเข้มสูงต่อวัสดุเป้าหมายที่เป็นก๊าซ

การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนและการรวมตัวกันใหม่ (เรียกในเชิงฟิสิกส์ว่า การเปลี่ยนผ่าน):

เมื่อพัลส์เลเซอร์เฟมโตวินาทีกระทบกับอะตอมของก๊าซภายในวัสดุเป้าหมายที่เป็นก๊าซ อิเล็กตรอนชั้นนอกจำนวนมากจะถูกกระตุ้นชั่วขณะให้เข้าสู่สถานะที่แยกตัวออกจากนิวเคลียสของอะตอม ก่อให้เกิดสถานะคล้ายพลาสมา เมื่อพลังงานของระบบลดลง (เนื่องจากพัลส์เลเซอร์เป็นพัลส์โดยธรรมชาติ โดยมีช่วงเวลาหยุดนิ่ง) อิเล็กตรอนชั้นนอกเหล่านี้จะกลับสู่บริเวณใกล้เคียงกับนิวเคลียสของอะตอม ปลดปล่อยโฟตอนพลังงานสูงออกมา

การสร้างฮาร์มอนิกสูง:

ลองนึกภาพทุกครั้งที่หยดน้ำตกลงสู่ผิวน้ำทะเลสาบ จะเกิดระลอกคลื่นขึ้น คล้ายกับฮาร์โมนิกสูงในเลเซอร์แอตโตวินาที ระลอกคลื่นเหล่านี้มีความถี่และแอมพลิจูดสูงกว่าระลอกคลื่นเดิมที่เกิดจากพัลส์เลเซอร์เฟมโตวินาทีหลัก ในระหว่างกระบวนการ HHG ลำแสงเลเซอร์กำลังสูง คล้ายกับการโยนก้อนหินอย่างต่อเนื่อง จะส่องแสงไปยังเป้าหมายก๊าซที่คล้ายกับผิวน้ำทะเลสาบ สนามเลเซอร์กำลังสูงนี้จะผลักอิเล็กตรอนในก๊าซ ซึ่งคล้ายกับระลอกคลื่น ให้ออกจากอะตอมต้นกำเนิด แล้วดึงอิเล็กตรอนเหล่านั้นกลับคืนมา ทุกครั้งที่อิเล็กตรอนกลับสู่อะตอม มันจะปล่อยลำแสงเลเซอร์ใหม่ที่มีความถี่สูงขึ้น คล้ายกับรูปแบบระลอกคลื่นที่ซับซ้อนยิ่งขึ้น

การกรองและการโฟกัส:

การรวมลำแสงเลเซอร์ที่สร้างขึ้นใหม่ทั้งหมดเข้าด้วยกันจะทำให้เกิดสเปกตรัมสีต่างๆ (ความถี่หรือความยาวคลื่น) ซึ่งบางสีประกอบกันเป็นเลเซอร์อัตโตวินาที ในการแยกขนาดและความถี่ของระลอกคลื่นที่เฉพาะเจาะจง คุณสามารถใช้ฟิลเตอร์เฉพาะทาง เช่น การเลือกระลอกคลื่นที่ต้องการ และใช้แว่นขยายเพื่อโฟกัสไปยังบริเวณที่ต้องการ

การบีบอัดชีพจร (ถ้าจำเป็น):

หากคุณต้องการให้ระลอกคลื่นแพร่กระจายเร็วขึ้นและสั้นลง คุณสามารถเร่งการแพร่กระจายได้โดยใช้อุปกรณ์เฉพาะทาง ซึ่งจะช่วยลดระยะเวลาที่ระลอกคลื่นแต่ละระลอกเกิดขึ้น การสร้างเลเซอร์อัตโตวินาทีเกี่ยวข้องกับกระบวนการที่ซับซ้อน แต่เมื่อนำมาวิเคราะห์และแสดงภาพแล้ว จะเข้าใจได้ง่ายขึ้น