ในการประกาศครั้งสำคัญในตอนเย็นของวันที่ 3 ตุลาคม พ.ศ. 2566 ได้มีการเปิดตัวรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี พ.ศ. 2566 โดยยกย่องการมีส่วนร่วมอันโดดเด่นของนักวิทยาศาสตร์สามคนที่มีบทบาทสำคัญในฐานะผู้บุกเบิกในขอบเขตของเทคโนโลยีเลเซอร์ระดับ attosecond

คำว่า "attosecond laser" มาจากชื่อในช่วงเวลาสั้นๆ อย่างไม่น่าเชื่อที่เลเซอร์ทำงาน โดยเฉพาะในลำดับของ attoseconds ซึ่งเท่ากับ 10^-18 วินาที เพื่อให้เข้าใจถึงความสำคัญอันลึกซึ้งของเทคโนโลยีนี้ ความเข้าใจขั้นพื้นฐานว่าอัตโตวินาทีมีความหมายเป็นสิ่งสำคัญยิ่ง อัตโตวินาทีหมายถึงหน่วยนาทีที่เกินจริง ซึ่งประกอบเป็นหนึ่งพันล้านของหนึ่งในพันล้านวินาทีภายในบริบทที่กว้างขึ้นของวินาทีเดียว เพื่อให้เข้าใจถึงสิ่งนี้ หากเราเปรียบวินาทีกับภูเขาสูงตระหง่าน อัตราอัตโตวินาทีจะคล้ายกับเม็ดทรายเม็ดเดียวที่วางอยู่ใต้ฐานของภูเขา ในช่วงเวลาชั่วครู่ชั่วขณะนี้ แม้แต่แสงก็แทบจะไม่สามารถเคลื่อนที่เป็นระยะทางที่เทียบเท่ากับขนาดของอะตอมแต่ละอะตอมได้ ด้วยการใช้เลเซอร์อัตโตวินาที นักวิทยาศาสตร์ได้รับความสามารถที่ไม่เคยมีมาก่อนในการพิจารณาและจัดการไดนามิกส์ที่ซับซ้อนของอิเล็กตรอนภายในโครงสร้างอะตอม คล้ายกับการเล่นซ้ำสโลว์โมชันแบบเฟรมต่อเฟรมในลำดับภาพยนตร์ จึงเจาะลึกถึงการมีส่วนร่วมของพวกมัน

เลเซอร์อัตโตวินาทีเป็นตัวแทนของจุดสุดยอดของการวิจัยอย่างกว้างขวางและความพยายามร่วมกันของนักวิทยาศาสตร์ซึ่งใช้หลักการของทัศนศาสตร์แบบไม่เชิงเส้นเพื่อสร้างเลเซอร์ที่เร็วมาก การปรากฎตัวของพวกเขาทำให้เรามีมุมมองเชิงนวัตกรรมสำหรับการสังเกตและการสำรวจกระบวนการไดนามิกที่เกิดขึ้นภายในอะตอม โมเลกุล และแม้แต่อิเล็กตรอนในวัสดุแข็ง

เพื่ออธิบายธรรมชาติของเลเซอร์อัตโตวินาทีและชื่นชมคุณลักษณะที่แหวกแนวเมื่อเปรียบเทียบกับเลเซอร์ทั่วไป จึงจำเป็นต้องสำรวจการจัดหมวดหมู่ภายใน "ตระกูลเลเซอร์" ที่กว้างกว่า การจำแนกประเภทตามความยาวคลื่นจะทำให้เลเซอร์อัตโตวินาทีอยู่ในช่วงของความถี่รังสีอัลตราไวโอเลตถึงความถี่รังสีเอกซ์อ่อน ซึ่งแสดงให้เห็นความยาวคลื่นที่สั้นกว่าอย่างเห็นได้ชัดเมื่อเปรียบเทียบกับเลเซอร์ทั่วไป ในแง่ของโหมดเอาท์พุต เลเซอร์อัตโตวินาทีจัดอยู่ในหมวดหมู่ของเลเซอร์พัลซิ่ง ซึ่งมีระยะเวลาพัลส์ที่สั้นมาก เพื่อเปรียบเทียบความชัดเจน เราสามารถมองเห็นเลเซอร์คลื่นต่อเนื่องที่คล้ายกับไฟฉายที่ปล่อยลำแสงต่อเนื่องกัน ในขณะที่เลเซอร์พัลส์มีลักษณะคล้ายกับแสงแฟลช ซึ่งสลับกันอย่างรวดเร็วระหว่างช่วงของการส่องสว่างและความมืด โดยพื้นฐานแล้ว เลเซอร์แอตโตวินาทีแสดงพฤติกรรมที่เต้นเป็นจังหวะภายในแสงสว่างและความมืด แต่การเปลี่ยนแปลงระหว่างสองสถานะนั้นเกิดขึ้นที่ความถี่ที่น่าประหลาดใจ ไปถึงขอบเขตของอัตโตวินาที

การจัดหมวดหมู่เพิ่มเติมตามกำลังทำให้เลเซอร์อยู่ในวงเล็บกำลังต่ำ กำลังปานกลาง และกำลังสูง เลเซอร์แอตโตวินาทีได้รับพลังงานสูงสุดสูงเนื่องจากมีระยะเวลาพัลส์ที่สั้นมาก ส่งผลให้มีกำลังไฟฟ้าสูงสุด (P) เด่นชัด ซึ่งกำหนดเป็นความเข้มของพลังงานต่อหน่วยเวลา (P=W/t) แม้ว่าพัลส์เลเซอร์ attosecond แต่ละตัวอาจไม่มีพลังงานขนาดใหญ่เป็นพิเศษ (W) แต่ขอบเขตชั่วคราวแบบย่อ (t) จะให้พลังงานสูงสุดที่สูงขึ้น

ในแง่ของขอบเขตการใช้งาน เลเซอร์ครอบคลุมสเปกตรัมที่ครอบคลุมการใช้งานทางอุตสาหกรรม การแพทย์ และวิทยาศาสตร์ เลเซอร์แอตโตวินาทีค้นหาช่องทางเฉพาะของตนภายในขอบเขตของการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการสำรวจปรากฏการณ์ที่พัฒนาอย่างรวดเร็วภายในขอบเขตของฟิสิกส์และเคมี ซึ่งเป็นการเปิดหน้าต่างสู่กระบวนการไดนามิกที่รวดเร็วของโลกขนาดย่อม

การจัดหมวดหมู่ตามตัวกลางเลเซอร์จะแบ่งเลเซอร์ออกเป็นเลเซอร์แก๊ส เลเซอร์โซลิดสเตต เลเซอร์ของเหลว และเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ โดยทั่วไปแล้ว การสร้างเลเซอร์อัตโตวินาทีจะขึ้นอยู่กับสื่อเลเซอร์แบบแก๊ส โดยใช้ประโยชน์จากเอฟเฟกต์แสงแบบไม่เชิงเส้นเพื่อสร้างฮาร์โมนิกที่มีลำดับสูง

โดยสรุป เลเซอร์แอตโตวินาทีประกอบขึ้นเป็นคลาสเฉพาะของเลเซอร์พัลส์สั้น โดดเด่นด้วยระยะเวลาพัลส์ที่สั้นเป็นพิเศษ ซึ่งโดยทั่วไปจะวัดเป็นหน่วยแอตโตวินาที เป็นผลให้พวกมันกลายเป็นเครื่องมือที่ขาดไม่ได้ในการสังเกตและควบคุมกระบวนการไดนามิกที่รวดเร็วของอิเล็กตรอนภายในอะตอม โมเลกุล และวัสดุที่เป็นของแข็ง

กระบวนการที่ซับซ้อนของการสร้างเลเซอร์ Attosecond

เทคโนโลยีเลเซอร์ Attosecond ยืนอยู่แถวหน้าของนวัตกรรมทางวิทยาศาสตร์ โดยมีเงื่อนไขที่เข้มงวดอย่างน่าทึ่งสำหรับการสร้างมัน เพื่ออธิบายความซับซ้อนของการสร้างเลเซอร์ระดับ attosecond เราจะเริ่มต้นด้วยการอธิบายหลักการพื้นฐานอย่างกระชับ ตามด้วยคำอุปมาอุปมัยที่ชัดเจนซึ่งได้มาจากประสบการณ์ในชีวิตประจำวัน ผู้อ่านที่ค้นพบความซับซ้อนของฟิสิกส์ที่เกี่ยวข้องไม่จำเป็นต้องสิ้นหวัง เนื่องจากคำอุปมาอุปมัยที่ตามมามีจุดมุ่งหมายเพื่อทำให้ฟิสิกส์พื้นฐานของเลเซอร์ระดับ attosecond สามารถเข้าถึงได้

กระบวนการสร้างเลเซอร์อัตโตวินาทีอาศัยเทคนิคที่เรียกว่าการสร้างฮาร์มอนิกสูง (HHG) เป็นหลัก ประการแรก ลำแสงเลเซอร์พัลส์เฟมโตวินาทีความเข้มสูง (10^-15 วินาที) จะถูกโฟกัสไปที่วัสดุเป้าหมายที่เป็นก๊าซอย่างแน่นหนา เป็นที่น่าสังเกตว่าเลเซอร์ femtosecond คล้ายกับเลเซอร์ attosecond มีลักษณะเฉพาะของการมีระยะเวลาพัลส์สั้นและมีกำลังสูงสุดสูง ภายใต้อิทธิพลของสนามเลเซอร์ที่รุนแรง อิเล็กตรอนภายในอะตอมของก๊าซจะถูกปลดปล่อยออกจากนิวเคลียสของอะตอมชั่วขณะ และเข้าสู่สถานะของอิเล็กตรอนอิสระชั่วคราว เมื่ออิเล็กตรอนเหล่านี้แกว่งเพื่อตอบสนองต่อสนามเลเซอร์ ในที่สุดพวกมันก็กลับมาและรวมตัวใหม่กับนิวเคลียสของอะตอมต้นกำเนิด ทำให้เกิดสถานะพลังงานสูงใหม่

ในระหว่างกระบวนการนี้ อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงมาก และเมื่อรวมตัวใหม่กับนิวเคลียสของอะตอม พวกมันจะปล่อยพลังงานเพิ่มเติมในรูปของการปล่อยฮาร์โมนิกสูง ซึ่งปรากฏเป็นโฟตอนพลังงานสูง

ความถี่ของโฟตอนพลังงานสูงที่สร้างขึ้นใหม่เหล่านี้เป็นจำนวนเต็มทวีคูณของความถี่เลเซอร์ดั้งเดิม ซึ่งก่อให้เกิดสิ่งที่เรียกว่าฮาร์โมนิกลำดับสูง โดยที่ "ฮาร์โมนิกส์" หมายถึงความถี่ที่เป็นจำนวนเต็มของความถี่ดั้งเดิม เพื่อให้ได้เลเซอร์ระดับ attosecond จำเป็นต้องกรองและโฟกัสฮาร์โมนิกที่มีลำดับสูงเหล่านี้ โดยเลือกฮาร์โมนิกที่เฉพาะเจาะจงและรวมศูนย์ไว้ที่จุดโฟกัส หากต้องการ เทคนิคการบีบอัดพัลส์สามารถย่อระยะเวลาพัลส์เพิ่มเติมได้ ส่งผลให้พัลส์สั้นมากในช่วงอัตโตวินาที เห็นได้ชัดเจนว่าการสร้างเลเซอร์อัตโตวินาทีถือเป็นกระบวนการที่ซับซ้อนและมีหลายแง่มุม ซึ่งต้องการความชำนาญทางเทคนิคในระดับสูงและอุปกรณ์เฉพาะทาง

เพื่อทำความเข้าใจกระบวนการที่ซับซ้อนนี้ให้กระจ่างยิ่งขึ้น เราขอเสนอการเปรียบเทียบเชิงเปรียบเทียบซึ่งมีพื้นฐานอยู่ในสถานการณ์ในชีวิตประจำวัน:

พัลส์เลเซอร์เฟมโตวินาทีความเข้มสูง:

ลองนึกภาพการมีเครื่องยิงที่ทรงพลังเป็นพิเศษที่สามารถขว้างก้อนหินด้วยความเร็วมหาศาลได้ในทันที คล้ายกับบทบาทของพัลส์เลเซอร์เฟมโตวินาทีที่มีความเข้มสูง

วัสดุเป้าหมายที่เป็นก๊าซ:

ลองนึกภาพแหล่งน้ำอันเงียบสงบซึ่งเป็นสัญลักษณ์ของวัสดุเป้าหมายที่เป็นก๊าซ โดยที่หยดน้ำแต่ละหยดแสดงถึงอะตอมของก๊าซจำนวนมหาศาล การผลักหินเข้าไปในแหล่งน้ำนี้สะท้อนผลกระทบของพัลส์เลเซอร์ femtosecond ความเข้มสูงบนวัสดุเป้าหมายที่เป็นก๊าซในลักษณะคล้ายคลึงกัน

การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนและการรวมตัวกันใหม่ (การเปลี่ยนผ่านที่เรียกทางกายภาพ):

เมื่อพัลส์เลเซอร์เฟมโตวินาทีกระทบอะตอมของแก๊สภายในวัสดุเป้าหมายที่เป็นก๊าซ อิเล็กตรอนชั้นนอกจำนวนมากจะตื่นเต้นชั่วขณะจนเข้าสู่สถานะที่พวกมันแยกตัวออกจากนิวเคลียสของอะตอมตามลำดับ เกิดสถานะคล้ายพลาสมา เมื่อพลังงานของระบบลดลงในเวลาต่อมา (เนื่องจากพัลส์เลเซอร์เป็นพัลส์โดยธรรมชาติ ซึ่งมีช่วงเวลาหยุด) อิเล็กตรอนชั้นนอกเหล่านี้จะกลับสู่บริเวณใกล้เคียงนิวเคลียสของอะตอม และปล่อยโฟตอนพลังงานสูงออกมา

การสร้างฮาร์มอนิกสูง:

ลองนึกภาพทุกครั้งที่หยดน้ำตกลงสู่พื้นผิวทะเลสาบ มันจะสร้างระลอกคลื่น เหมือนกับฮาร์โมนิกสูงในเลเซอร์ระดับอัตโตวินาที ระลอกคลื่นเหล่านี้มีความถี่และแอมพลิจูดที่สูงกว่าระลอกคลื่นดั้งเดิมที่เกิดจากพัลส์เลเซอร์เฟมโตวินาทีหลัก ในระหว่างกระบวนการ HHG ลำแสงเลเซอร์อันทรงพลังซึ่งคล้ายกับการขว้างก้อนหินอย่างต่อเนื่อง จะส่องสว่างเป้าหมายก๊าซ คล้ายกับพื้นผิวของทะเลสาบ สนามเลเซอร์ที่มีความเข้มข้นสูงนี้จะขับเคลื่อนอิเล็กตรอนในก๊าซซึ่งคล้ายกับระลอกคลื่น ออกไปจากอะตอมต้นกำเนิด แล้วดึงพวกมันกลับ แต่ละครั้งที่อิเล็กตรอนกลับสู่อะตอม มันจะปล่อยลำแสงเลเซอร์ใหม่ที่มีความถี่สูงกว่า ซึ่งคล้ายกับรูปแบบระลอกคลื่นที่ซับซ้อนมากขึ้น

การกรองและการโฟกัส:

การรวมลำแสงเลเซอร์ที่สร้างขึ้นใหม่ทั้งหมดเข้าด้วยกันทำให้ได้สเปกตรัมของสีต่างๆ (ความถี่หรือความยาวคลื่น) ซึ่งบางส่วนประกอบขึ้นเป็นเลเซอร์อัตโตวินาที หากต้องการแยกขนาดและความถี่ของระลอกคลื่นที่เฉพาะเจาะจง คุณสามารถใช้ตัวกรองพิเศษ ซึ่งคล้ายกับการเลือกระลอกคลื่นที่ต้องการ และใช้แว่นขยายเพื่อโฟกัสไปยังพื้นที่เฉพาะ

การบีบอัดพัลส์ (ถ้าจำเป็น):

หากคุณตั้งเป้าที่จะเผยแพร่ระลอกคลื่นให้เร็วขึ้นและสั้นลง คุณสามารถเร่งการแพร่กระจายระลอกคลื่นได้โดยใช้อุปกรณ์พิเศษ ซึ่งจะช่วยลดระยะเวลาที่แต่ละระลอกคงอยู่ การสร้างเลเซอร์อัตโตวินาทีเกี่ยวข้องกับกระบวนการที่ซับซ้อน แต่เมื่อแยกย่อยและเห็นภาพก็จะเข้าใจได้มากขึ้น