ในงานประกาศสำคัญเมื่อค่ำวันที่ 3 ตุลาคม 2023 รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 2023 ได้ถูกประกาศให้ทราบเพื่อยกย่องผลงานโดดเด่นของนักวิทยาศาสตร์ 3 คนที่มีบทบาทสำคัญในการบุกเบิกด้านเทคโนโลยีเลเซอร์แอตโตวินาที

คำว่า "เลเซอร์อัตโตวินาที" ได้ชื่อมาจากช่วงเวลาอันสั้นมากที่เลเซอร์ทำงาน โดยเฉพาะอย่างยิ่งในลำดับของอัตโตวินาที ซึ่งเท่ากับ 10^-18 วินาที การจะเข้าใจความสำคัญอย่างลึกซึ้งของเทคโนโลยีนี้ จำเป็นต้องมีความเข้าใจพื้นฐานว่าอัตโตวินาทีหมายถึงอะไร อัตโตวินาทีถือเป็นหน่วยเวลาที่สั้นมาก โดยคิดเป็นหนึ่งส่วนพันล้านของหนึ่งส่วนพันล้านวินาทีในบริบทที่กว้างขึ้นของวินาทีเดียว หากจะเปรียบเทียบวินาทีกับภูเขาสูงตระหง่าน อัตโตวินาทีก็จะเปรียบเสมือนเม็ดทรายเพียงเม็ดเดียวที่ซ่อนตัวอยู่ที่ฐานของภูเขา ในช่วงเวลาอันสั้นนี้ แม้แต่แสงก็แทบจะเดินทางในระยะทางที่เทียบเท่ากับขนาดของอะตอมหนึ่งอะตอมไม่ได้ ด้วยการใช้เลเซอร์แอตโตวินาที นักวิทยาศาสตร์จึงมีความสามารถที่ไม่เคยมีมาก่อนในการตรวจสอบและควบคุมพลวัตที่ซับซ้อนของอิเล็กตรอนภายในโครงสร้างอะตอม ซึ่งคล้ายกับการรีเพลย์แบบสโลว์โมชั่นแบบเฟรมต่อเฟรมในลำดับภาพยนตร์ ทำให้สามารถเจาะลึกถึงปฏิสัมพันธ์ระหว่างกัน

เลเซอร์แอตโตเซคันด์เป็นตัวแทนของผลงานวิจัยและความพยายามร่วมกันอย่างกว้างขวางของนักวิทยาศาสตร์ ซึ่งได้นำหลักการของออปติกแบบไม่เชิงเส้นมาใช้เพื่อสร้างเลเซอร์ความเร็วสูง การถือกำเนิดของเลเซอร์เหล่านี้ทำให้เรามีมุมมองใหม่ในการสังเกตและสำรวจกระบวนการไดนามิกที่เกิดขึ้นภายในอะตอม โมเลกุล และแม้แต่อิเล็กตรอนในวัสดุแข็ง

เพื่ออธิบายลักษณะของเลเซอร์อัตโตวินาทีและประเมินคุณสมบัติที่ไม่ธรรมดาของเลเซอร์เมื่อเปรียบเทียบกับเลเซอร์ทั่วไป จำเป็นต้องสำรวจการจำแนกประเภทภายใน "กลุ่มเลเซอร์" ที่กว้างขึ้น การจำแนกประเภทตามความยาวคลื่นทำให้เลเซอร์อัตโตวินาทีส่วนใหญ่อยู่ในช่วงความถี่อัลตราไวโอเลตถึงรังสีเอกซ์อ่อน ซึ่งบ่งชี้ว่ามีความยาวคลื่นที่สั้นกว่าอย่างเห็นได้ชัดเมื่อเปรียบเทียบกับเลเซอร์ทั่วไป ในแง่ของโหมดเอาต์พุต เลเซอร์อัตโตวินาทีจัดอยู่ในประเภทของเลเซอร์แบบพัลส์ ซึ่งมีลักษณะเฉพาะคือมีระยะเวลาพัลส์สั้นมาก หากจะเปรียบเทียบเพื่อความชัดเจน เราอาจจินตนาการว่าเลเซอร์คลื่นต่อเนื่องนั้นคล้ายกับไฟฉายที่ปล่อยลำแสงต่อเนื่อง ในขณะที่เลเซอร์แบบพัลส์นั้นคล้ายกับแสงแฟลชที่สลับระหว่างช่วงสว่างและช่วงมืดอย่างรวดเร็ว โดยพื้นฐานแล้ว เลเซอร์อัตโตวินาทีแสดงพฤติกรรมการเต้นเป็นจังหวะในช่วงสว่างและช่วงมืด แต่การเปลี่ยนผ่านระหว่างสองสถานะนั้นเกิดขึ้นด้วยความถี่ที่น่าทึ่ง โดยไปถึงขอบเขตของอัตโตวินาที

การแบ่งประเภทเพิ่มเติมตามกำลังทำให้เลเซอร์สามารถแบ่งได้เป็นกำลังต่ำ กำลังปานกลาง และกำลังสูง เลเซอร์แอตโตวินาทีมีกำลังพีคสูงเนื่องจากระยะเวลาพัลส์สั้นมาก ส่งผลให้มีกำลังพีคที่เด่นชัด (P) ซึ่งกำหนดเป็นความเข้มของพลังงานต่อหน่วยเวลา (P=W/t) แม้ว่าพัลส์เลเซอร์แอตโตวินาทีแต่ละพัลส์อาจไม่มีพลังงานมากเป็นพิเศษ (W) แต่ขอบเขตเวลาที่สั้นลง (t) ทำให้มีกำลังพีคที่สูงขึ้น

เลเซอร์มีขอบเขตครอบคลุมตั้งแต่การใช้งานในอุตสาหกรรม การแพทย์ และวิทยาศาสตร์ เลเซอร์ Attosecond ส่วนใหญ่จะใช้ในการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ โดยเฉพาะในการสำรวจปรากฏการณ์ที่เปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วในสาขาฟิสิกส์และเคมี โดยให้มุมมองต่อกระบวนการพลวัตที่รวดเร็วของโลกจุลภาค

การแบ่งประเภทตามสื่อเลเซอร์จะแบ่งเลเซอร์ออกเป็น เลเซอร์ก๊าซ เลเซอร์โซลิดสเตต เลเซอร์ของเหลว และเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ การสร้างเลเซอร์อัตโตวินาทีโดยทั่วไปจะขึ้นอยู่กับสื่อเลเซอร์ก๊าซ โดยใช้ประโยชน์จากเอฟเฟกต์ออปติกแบบไม่เชิงเส้นเพื่อสร้างฮาร์โมนิกอันดับสูง

โดยสรุป เลเซอร์อัตโตวินาทีถือเป็นเลเซอร์พัลส์สั้นประเภทหนึ่งที่มีลักษณะเฉพาะ โดยมีความโดดเด่นที่ระยะเวลาพัลส์สั้นมาก โดยทั่วไปวัดเป็นอัตโตวินาที ส่งผลให้เลเซอร์พัลส์สั้นลงจนกลายเป็นเครื่องมือที่ขาดไม่ได้ในการสังเกตและควบคุมกระบวนการไดนามิกที่รวดเร็วของอิเล็กตรอนภายในอะตอม โมเลกุล และวัสดุแข็ง

กระบวนการที่ซับซ้อนของการสร้างเลเซอร์ Attosecond

เทคโนโลยีเลเซอร์ Attosecond ถือเป็นนวัตกรรมทางวิทยาศาสตร์ชั้นนำ โดยมีเงื่อนไขที่เข้มงวดอย่างน่าสนใจสำหรับการสร้างเทคโนโลยีนี้ เพื่ออธิบายความซับซ้อนของการสร้างเลเซอร์ Attosecond เราจะเริ่มต้นด้วยการอธิบายหลักการพื้นฐานอย่างกระชับ ตามด้วยการเปรียบเทียบที่ชัดเจนซึ่งได้มาจากประสบการณ์ในชีวิตประจำวัน ผู้อ่านที่ไม่คุ้นเคยกับความซับซ้อนของฟิสิกส์ที่เกี่ยวข้องไม่ต้องสิ้นหวัง เพราะการเปรียบเทียบที่ตามมามีเป้าหมายเพื่อให้เข้าถึงฟิสิกส์พื้นฐานของเลเซอร์ Attosecond ได้

กระบวนการสร้างเลเซอร์แบบ Attosecond อาศัยเทคนิคที่เรียกว่า High Harmonic Generation (HHG) เป็นหลัก ขั้นแรก ลำแสงเลเซอร์แบบเฟมโตวินาทีที่มีความเข้มสูง (10^-15 วินาที) จะถูกโฟกัสไปที่วัสดุเป้าหมายที่เป็นก๊าซอย่างแน่นหนา ควรสังเกตว่าเลเซอร์แบบเฟมโตวินาทีซึ่งคล้ายกับเลเซอร์แบบ Attosecond มีลักษณะร่วมกันคือมีระยะเวลาพัลส์สั้นและมีกำลังพีคสูง ภายใต้อิทธิพลของสนามเลเซอร์ที่มีความเข้มข้นสูง อิเล็กตรอนภายในอะตอมของก๊าซจะถูกปลดปล่อยจากนิวเคลียสของอะตอมชั่วขณะ และเข้าสู่สถานะของอิเล็กตรอนอิสระชั่วคราว เมื่ออิเล็กตรอนเหล่านี้แกว่งตอบสนองต่อสนามเลเซอร์ ในที่สุด อิเล็กตรอนเหล่านี้จะกลับมาและรวมตัวกับนิวเคลียสของอะตอมแม่อีกครั้ง ทำให้เกิดสถานะพลังงานสูงใหม่

ในระหว่างกระบวนการนี้ อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงมาก และเมื่อมีการรวมตัวใหม่กับนิวเคลียสของอะตอม อิเล็กตรอนจะปลดปล่อยพลังงานเพิ่มเติมออกมาในรูปแบบของการแผ่รังสีฮาร์มอนิกสูง ซึ่งแสดงออกมาในรูปแบบโฟตอนพลังงานสูง

ความถี่ของโฟตอนพลังงานสูงที่สร้างขึ้นใหม่เหล่านี้เป็นจำนวนเต็มคูณของความถี่เลเซอร์เดิม ซึ่งก่อให้เกิดสิ่งที่เรียกว่าฮาร์มอนิกอันดับสูง โดยที่ "ฮาร์มอนิก" หมายถึงความถี่ที่เป็นจำนวนเต็มคูณของความถี่เดิม เพื่อให้ได้เลเซอร์แบบอัตโตวินาที จำเป็นต้องกรองและโฟกัสฮาร์มอนิกอันดับสูงเหล่านี้ โดยเลือกฮาร์มอนิกเฉพาะและรวมเข้าที่จุดโฟกัส หากต้องการ เทคนิคการบีบอัดพัลส์สามารถลดระยะเวลาของพัลส์ลงได้อีก ส่งผลให้ได้พัลส์ที่สั้นมากในช่วงอัตโตวินาที เห็นได้ชัดว่าการสร้างเลเซอร์แบบอัตโตวินาทีเป็นกระบวนการที่ซับซ้อนและมีหลายแง่มุม ซึ่งต้องใช้ความสามารถทางเทคนิคขั้นสูงและอุปกรณ์เฉพาะทาง

เพื่อคลี่คลายความลึกลับของกระบวนการอันซับซ้อนนี้ เราขอเสนอการเปรียบเทียบเชิงเปรียบเทียบจากสถานการณ์ในชีวิตประจำวัน:

พัลส์เลเซอร์เฟมโตวินาทีความเข้มสูง:

ลองจินตนาการถึงการมีเครื่องยิงที่ทรงพลังเป็นพิเศษ ซึ่งสามารถขว้างก้อนหินได้ในทันทีด้วยความเร็วมหาศาล ซึ่งเทียบเท่ากับบทบาทของพัลส์เลเซอร์เฟมโตวินาทีที่มีความเข้มสูง

วัสดุเป้าหมายที่เป็นก๊าซ:

ลองนึกภาพแหล่งน้ำอันเงียบสงบซึ่งเป็นสัญลักษณ์ของวัสดุเป้าหมายที่เป็นก๊าซ โดยหยดน้ำแต่ละหยดแทนอะตอมของก๊าซจำนวนนับไม่ถ้วน การผลักหินลงไปในแหล่งน้ำนี้สะท้อนถึงผลกระทบของพัลส์เลเซอร์เฟมโตวินาทีที่มีความเข้มสูงต่อวัสดุเป้าหมายที่เป็นก๊าซ

การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนและการรวมตัวกันใหม่ (เรียกในทางกายภาพว่า การเปลี่ยนผ่าน):

เมื่อพัลส์เลเซอร์เฟมโตวินาทีกระทบกับอะตอมของก๊าซภายในวัสดุเป้าหมายที่เป็นก๊าซ อิเล็กตรอนภายนอกจำนวนมากจะถูกกระตุ้นชั่วขณะไปสู่สถานะที่แยกตัวออกจากนิวเคลียสของอะตอมที่เกี่ยวข้อง ทำให้เกิดสถานะคล้ายพลาสมา เมื่อพลังงานของระบบลดลงในเวลาต่อมา (เนื่องจากพัลส์เลเซอร์เป็นพัลส์โดยเนื้อแท้ โดยมีช่วงเวลาหยุดเป็นระยะ) อิเล็กตรอนภายนอกเหล่านี้จะกลับไปยังบริเวณใกล้เคียงกับนิวเคลียสของอะตอม ปลดปล่อยโฟตอนพลังงานสูงออกมา

การสร้างฮาร์มอนิกสูง:

ลองนึกภาพทุกครั้งที่หยดน้ำตกลงสู่ผิวน้ำ หยดน้ำจะสร้างคลื่นขึ้น ซึ่งคล้ายกับฮาร์มอนิกส์สูงในเลเซอร์แอตโตวินาที คลื่นเหล่านี้มีความถี่และแอมพลิจูดที่สูงกว่าคลื่นเดิมที่เกิดจากพัลส์เลเซอร์เฟมโตวินาทีหลัก ในระหว่างกระบวนการ HHG ลำแสงเลเซอร์ที่มีพลัง ซึ่งคล้ายกับการขว้างก้อนหินอย่างต่อเนื่อง จะส่องแสงไปที่เป้าหมายก๊าซที่คล้ายกับผิวน้ำ สนามเลเซอร์ที่มีความเข้มข้นนี้จะผลักอิเล็กตรอนในก๊าซ ซึ่งคล้ายกับคลื่น ให้ห่างจากอะตอมแม่ของอิเล็กตรอน แล้วดึงอิเล็กตรอนกลับ ทุกครั้งที่อิเล็กตรอนกลับมาที่อะตอม อิเล็กตรอนจะปล่อยลำแสงเลเซอร์ใหม่ที่มีความถี่สูงขึ้น ซึ่งคล้ายกับรูปแบบคลื่นที่ซับซ้อนมากขึ้น

การกรองและการโฟกัส:

การรวมลำแสงเลเซอร์ที่สร้างขึ้นใหม่ทั้งหมดเข้าด้วยกันจะสร้างสเปกตรัมที่มีสีต่างๆ (ความถี่หรือความยาวคลื่น) ซึ่งบางสีประกอบขึ้นเป็นเลเซอร์อัตโตวินาที หากต้องการแยกขนาดและความถี่ของระลอกคลื่นเฉพาะ คุณสามารถใช้ฟิลเตอร์พิเศษ ซึ่งคล้ายกับการเลือกระลอกคลื่นที่ต้องการ และใช้แว่นขยายเพื่อโฟกัสไปที่บริเวณเฉพาะ

การบีบอัดชีพจร (ถ้าจำเป็น):

หากคุณต้องการขยายระลอกคลื่นให้เร็วขึ้นและสั้นลง คุณสามารถเร่งการขยายระลอกคลื่นได้โดยใช้อุปกรณ์เฉพาะทาง ซึ่งจะช่วยลดระยะเวลาที่ระลอกคลื่นแต่ละครั้งเกิดขึ้น การสร้างเลเซอร์อัตโตวินาทีเกี่ยวข้องกับกระบวนการต่างๆ ที่ซับซ้อน อย่างไรก็ตาม เมื่อแยกย่อยและแสดงภาพออกมาแล้ว จะเข้าใจได้ง่ายขึ้น