ในการประกาศครั้งสำคัญในตอนเย็นของวันที่ 3 ตุลาคม 2566 รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์สำหรับปี 2566 ได้รับการเปิดเผยโดยตระหนักถึงการมีส่วนร่วมที่โดดเด่นของนักวิทยาศาสตร์สามคนที่มีบทบาทสำคัญในฐานะผู้บุกเบิกในขอบเขตของเทคโนโลยีเลเซอร์

คำว่า "เลเซอร์ Attosecond" ได้มาจากชื่อของมันจากช่วงเวลาสั้น ๆ อย่างไม่น่าเชื่อที่ทำงานโดยเฉพาะในลำดับของ attoseconds ซึ่งสอดคล้องกับ 10^-18 วินาที เพื่อให้เข้าใจถึงความสำคัญที่ลึกซึ้งของเทคโนโลยีนี้ความเข้าใจพื้นฐานของสิ่งที่ Attosecond มีความหมายเป็นสิ่งสำคัญยิ่ง Attosecond ยืนเป็นหน่วยเวลานาทีที่เหลืออยู่ซึ่งคิดเป็นหนึ่งพันล้านพันล้านพันล้านวินาทีในบริบทที่กว้างขึ้นของวินาทีเดียว หากต้องการนำสิ่งนี้ไปสู่มุมมองถ้าเราจะเปรียบเสมือนหนึ่งวินาทีกับภูเขาสูงตระหง่าน attosecond จะคล้ายกับทรายเดียวที่ตั้งอยู่ที่ฐานของภูเขา ในช่วงเวลาชั่วคราวที่หายวับไปนี้แม้แต่แสงก็แทบจะไม่ผ่านระยะทางเทียบเท่ากับขนาดของอะตอมของแต่ละบุคคล ด้วยการใช้เลเซอร์ attosecond นักวิทยาศาสตร์จะได้รับความสามารถอย่างไม่เคยปรากฏมาก่อนในการตรวจสอบและจัดการพลวัตที่ซับซ้อนของอิเล็กตรอนภายในโครงสร้างอะตอมคล้ายกับการเล่นซ้ำแบบเฟรมต่อเฟรมในลำดับภาพยนตร์

เลเซอร์ Attosecondเป็นตัวแทนของการวิจัยอย่างกว้างขวางและความพยายามร่วมกันโดยนักวิทยาศาสตร์ซึ่งได้ควบคุมหลักการของเลนส์ที่ไม่เชิงเส้นเพื่อสร้างเลเซอร์ที่เร็วมาก การถือกำเนิดของพวกเขาได้ตกแต่งเราด้วยจุดได้เปรียบที่เป็นนวัตกรรมสำหรับการสังเกตและการสำรวจกระบวนการไดนามิกที่เกิดขึ้นภายในอะตอมโมเลกุลและแม้แต่อิเล็กตรอนในวัสดุที่เป็นของแข็ง

เพื่ออธิบายลักษณะของเลเซอร์ attosecond และชื่นชมคุณลักษณะที่ไม่เป็นทางการของพวกเขาเมื่อเปรียบเทียบกับเลเซอร์ทั่วไปจำเป็นต้องสำรวจการจัดหมวดหมู่ของพวกเขาภายใน "ตระกูลเลเซอร์" ที่กว้างขึ้น การจำแนกประเภทโดยความยาวคลื่นวางเลเซอร์ attosecond ส่วนใหญ่อยู่ในช่วงของอัลตราไวโอเลตถึงความถี่ X-ray ที่อ่อนนุ่มซึ่งแสดงถึงความยาวคลื่นที่สั้นกว่าของพวกเขาในทางตรงกันข้ามกับเลเซอร์ทั่วไป ในแง่ของโหมดเอาท์พุทเลเซอร์ attosecond อยู่ภายใต้หมวดหมู่ของเลเซอร์พัลซิ่งซึ่งโดดเด่นด้วยระยะเวลาพัลส์สั้น ๆ ของพวกเขา ในการวาดการเปรียบเทียบเพื่อความชัดเจนเราสามารถมองเห็นเลเซอร์คลื่นอย่างต่อเนื่องคล้ายกับไฟฉายที่เปล่งแสงลำแสงอย่างต่อเนื่องในขณะที่เลเซอร์พัลซิ่งมีลักษณะคล้ายกับแสงแฟลชสลับกันอย่างรวดเร็วระหว่างช่วงเวลาของการส่องสว่างและความมืด ในสาระสำคัญเลเซอร์ attosecond แสดงพฤติกรรมที่เร้าใจภายในการส่องสว่างและความมืด แต่การเปลี่ยนแปลงของพวกเขาระหว่างทั้งสองรัฐเกิดขึ้นที่ความถี่ที่น่าอัศจรรย์มาถึงอาณาจักรของ attoseconds

การจัดหมวดหมู่เพิ่มเติมโดย Power วางเลเซอร์ลงในวงเล็บพลังงานต่ำพลังงานปานกลางและพลังงานสูง เลเซอร์ Attosecond ได้รับพลังสูงสุดสูงเนื่องจากระยะเวลาชีพจรสั้นมากส่งผลให้เกิดกำลังสูงสุดที่เด่นชัด (P) - กำหนดเป็นความเข้มของพลังงานต่อหน่วยเวลา (P = W/T) แม้ว่าพัลส์เลเซอร์ attosecond แต่ละตัวอาจไม่ได้มีพลังงานขนาดใหญ่เป็นพิเศษ (W) แต่ขอบเขตชั่วคราวของตัวย่อ (T) ให้พวกเขาด้วยพลังสูงสุด

ในแง่ของโดเมนแอปพลิเคชันเลเซอร์ครอบคลุมสเปกตรัมที่ครอบคลุมการใช้งานอุตสาหกรรมการแพทย์และวิทยาศาสตร์ เลเซอร์ Attosecond ส่วนใหญ่จะพบช่องของพวกเขาภายในขอบเขตของการวิจัยทางวิทยาศาสตร์โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการสำรวจปรากฏการณ์การพัฒนาอย่างรวดเร็วภายในโดเมนของฟิสิกส์และเคมีนำเสนอหน้าต่างสู่กระบวนการไดนามิกที่รวดเร็วของโลกจุลภาค

การจัดหมวดหมู่โดยเลเซอร์ขนาดกลาง delineates เลเซอร์เป็นเลเซอร์แก๊สเลเซอร์โซลิดสเตตเลเซอร์เหลวและเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ การสร้างเลเซอร์ attosecond มักจะขึ้นอยู่กับสื่อเลเซอร์ก๊าซโดยใช้ประโยชน์จากเอฟเฟกต์ออปติคัลแบบไม่เชิงเส้นเพื่อก่อให้เกิดฮาร์มอนิกลำดับสูง

ในการสรุปเลเซอร์ Attosecond เป็นเลเซอร์ที่ไม่ซ้ำกันที่ไม่เหมือนใครซึ่งโดดเด่นด้วยระยะเวลาชีพจรสั้น ๆ พิเศษของพวกเขาโดยทั่วไปจะวัดใน attoseconds เป็นผลให้พวกเขากลายเป็นเครื่องมือที่ขาดไม่ได้สำหรับการสังเกตและควบคุมกระบวนการไดนามิกที่รวดเร็วของอิเล็กตรอนภายในอะตอมโมเลกุลและวัสดุที่เป็นของแข็ง

กระบวนการสร้างเลเซอร์ Attosecond อย่างละเอียด

เทคโนโลยีเลเซอร์ Attosecond ตั้งอยู่ในระดับแนวหน้าของนวัตกรรมทางวิทยาศาสตร์โดยมีเงื่อนไขที่เข้มงวดอย่างน่าสนใจสำหรับรุ่น เพื่ออธิบายความซับซ้อนของการสร้างเลเซอร์ attosecond เราเริ่มต้นด้วยการแสดงออกอย่างย่อของหลักการพื้นฐานตามด้วยคำอุปมาอุปมัยที่สดใสที่ได้มาจากประสบการณ์ในชีวิตประจำวัน ผู้อ่านที่ไม่ได้อยู่ในความซับซ้อนของฟิสิกส์ที่เกี่ยวข้องไม่จำเป็นต้องสิ้นหวังเนื่องจากคำอุปมาอุปมัยที่ตามมามีวัตถุประสงค์เพื่อทำให้ฟิสิกส์พื้นฐานของเลเซอร์ attosecond สามารถเข้าถึงได้

กระบวนการสร้างเลเซอร์ Attosecond ส่วนใหญ่อาศัยเทคนิคที่เรียกว่า Harmonic Generation สูง (HHG) ประการแรกลำแสงที่มีความเข้มสูง femtosecond (10^-15 วินาที) พัลส์เลเซอร์มุ่งเน้นไปที่วัสดุเป้าหมายก๊าซอย่างแน่นหนา เป็นที่น่าสังเกตว่าเลเซอร์ femtosecond คล้ายกับเลเซอร์ attosecond แบ่งปันลักษณะของการครอบครองระยะเวลาชีพจรสั้นและพลังสูงสุด ภายใต้อิทธิพลของสนามเลเซอร์ที่รุนแรงอิเล็กตรอนภายในอะตอมของก๊าซจะได้รับการปลดปล่อยจากนิวเคลียสอะตอมของพวกเขาในไม่ช้า ในขณะที่อิเล็กตรอนเหล่านี้แกว่งไปตามสนามเลเซอร์ในที่สุดพวกเขาก็กลับมารวมตัวกับนิวเคลียสอะตอมของพ่อแม่เพื่อสร้างสถานะพลังงานสูงใหม่

ในระหว่างกระบวนการนี้อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วที่สูงมากและเมื่อรวมตัวกันใหม่กับนิวเคลียสอะตอมพวกเขาจะปล่อยพลังงานเพิ่มเติมในรูปแบบของการปล่อยฮาร์มอนิกสูงซึ่งแสดงให้เห็นว่าเป็นโฟตอนพลังงานสูง

ความถี่ของโฟตอนพลังงานสูงที่สร้างขึ้นใหม่เหล่านี้คือทวีคูณจำนวนเต็มของความถี่เลเซอร์ดั้งเดิมซึ่งสร้างสิ่งที่เรียกว่าฮาร์มอนิกลำดับสูงซึ่ง "ฮาร์โมนิก" หมายถึงความถี่ที่เป็นทวีคูณของความถี่ดั้งเดิม เพื่อให้ได้เลเซอร์ Attosecond จำเป็นต้องกรองและมุ่งเน้นฮาร์โมนิกลำดับสูงเหล่านี้เลือกฮาร์มอนิกเฉพาะและมุ่งเน้นไปที่จุดโฟกัส หากต้องการเทคนิคการบีบอัดพัลส์สามารถลดระยะเวลาการเต้นของชีพจรได้ซึ่งให้พัลส์สั้นพิเศษในช่วง Attosecond เห็นได้ชัดว่าการสร้างเลเซอร์ attosecond ถือเป็นกระบวนการที่ซับซ้อนและมีหลายแง่มุมเรียกร้องให้มีความกล้าหาญทางเทคนิคในระดับสูงและอุปกรณ์พิเศษ

เพื่อ demystify กระบวนการที่ซับซ้อนนี้เรานำเสนอคำอุปมาอุปมัยแบบคู่ขนานในสถานการณ์ประจำวัน:

พัลส์เลเซอร์ femtosecond ความเข้มสูง: พัลส์:

จินตนาการว่ามีหนังสติ๊กที่มีศักยภาพเป็นพิเศษที่สามารถขว้างก้อนหินได้ทันทีที่ความเร็วยักษ์คล้ายกับบทบาทที่เล่นโดยพัลส์เลเซอร์ femtosecond ที่มีความเข้มสูง

วัสดุเป้าหมายก๊าซ:

ลองนึกภาพแหล่งน้ำที่เงียบสงบซึ่งเป็นสัญลักษณ์ของวัสดุเป้าหมายก๊าซซึ่งแต่ละหยดน้ำแสดงถึงอะตอมของก๊าซจำนวนมาก การกระทำของการขับเคลื่อนหินลงในร่างของน้ำนี้สะท้อนผลกระทบของพัลส์เลเซอร์ femtosecond ความเข้มสูงบนวัสดุเป้าหมายก๊าซ

การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนและการรวมตัวกันใหม่ (การเปลี่ยนแปลงที่เรียกว่าร่างกาย):

เมื่อพัลส์เลเซอร์ femtosecond ส่งผลกระทบต่ออะตอมของก๊าซภายในวัสดุเป้าหมายก๊าซอิเล็กตรอนชั้นนอกจำนวนมากรู้สึกตื่นเต้นในสถานะที่พวกเขาแยกออกจากนิวเคลียสอะตอมของพวกเขาซึ่งเป็นสถานะเหมือนพลาสมา เมื่อพลังงานของระบบลดลงในภายหลัง (เนื่องจากพัลส์เลเซอร์ถูกพัลส์โดยเนื้อแท้ซึ่งมีช่วงเวลาของการหยุด) อิเล็กตรอนชั้นนอกเหล่านี้กลับไปที่บริเวณใกล้เคียงของนิวเคลียสอะตอมปล่อยโฟตอนพลังงานสูง

Harmonic Generation สูง:

ลองนึกภาพทุกครั้งที่หยดน้ำตกลงไปที่พื้นผิวทะเลสาบมันจะสร้างระลอกคลื่นเหมือนฮาร์โมนิกสูงในเลเซอร์ attosecond ระลอกคลื่นเหล่านี้มีความถี่และแอมพลิจูดสูงกว่าระลอกคลื่นดั้งเดิมที่เกิดจากชีพจรเลเซอร์ Femtosecond หลัก ในระหว่างกระบวนการ HHG ลำแสงเลเซอร์ที่ทรงพลังคล้ายกับการโยนก้อนหินอย่างต่อเนื่องส่องแสงเป้าหมายก๊าซคล้ายกับพื้นผิวของทะเลสาบ สนามเลเซอร์ที่เข้มข้นนี้จะขับเคลื่อนอิเล็กตรอนในก๊าซคล้ายกับระลอกคลื่นห่างจากอะตอมของผู้ปกครองแล้วดึงมันกลับมา ทุกครั้งที่อิเล็กตรอนกลับไปที่อะตอมมันจะปล่อยลำแสงเลเซอร์ใหม่ที่มีความถี่สูงกว่าคล้ายกับรูปแบบระลอกคลื่นที่ซับซ้อนมากขึ้น

การกรองและโฟกัส:

การรวมคานเลเซอร์ที่สร้างขึ้นใหม่ทั้งหมดเหล่านี้ให้สเปกตรัมของสีต่าง ๆ (ความถี่หรือความยาวคลื่น) ซึ่งบางส่วนประกอบด้วยเลเซอร์ attosecond ในการแยกขนาดและความถี่ระลอกคลื่นเฉพาะคุณสามารถใช้ตัวกรองพิเศษคล้ายกับการเลือกระลอกคลื่นที่ต้องการและใช้แว่นขยายเพื่อโฟกัสไปยังพื้นที่เฉพาะ

การบีบอัดชีพจร (ถ้าจำเป็น):

หากคุณตั้งเป้าหมายที่จะเผยแพร่ระลอกคลื่นได้เร็วขึ้นและสั้นลงคุณสามารถเร่งการแพร่กระจายของพวกเขาโดยใช้อุปกรณ์พิเศษลดเวลาระลอกแต่ละครั้ง การสร้างเลเซอร์ attosecond เกี่ยวข้องกับการทำงานร่วมกันที่ซับซ้อนของกระบวนการ อย่างไรก็ตามเมื่อพังทลายและมองเห็นได้มันจะเข้าใจได้มากขึ้น