2023 елның 3 октябре кичендә мөһим игълан ясалды, анда аттосекунд лазер технологияләре өлкәсендә төп роль уйнаган өч галимнең күренекле өлеше билгеләп үтелде.

"Аттосекунд лазер" термины үз исемен аның эшли торган гаҗәеп кыска вакыт шкаласы аркасында алган, аеруча 10^-18 секундка туры килә торган аттосекундлар тәртибендә. Бу технологиянең тирән әһәмиятен аңлау өчен, аттосекунд нәрсә аңлатканын төп аңлау бик мөһим. Аттосекунд - вакытның бик кыска берәмлеге, ул бер секундның киңрәк контекстында секундның миллиардтан бер өлешен тәшкил итә. Моны күз алдына китерү өчен, әгәр без секундны биек тау белән чагыштырсак, аттосекунд тау итәгендә урнашкан бер ком бөртегенә охшар иде. Бу тиз уза торган вакыт аралыгында хәтта яктылык та аерым атом зурлыгына тиң араны бик аз уза ала. Аттосекунд лазерларын куллану аша галимнәр атом структураларындагы электроннарның катлаулы динамикасын тикшерү һәм манипуляцияләү өчен моңарчы күрелмәгән мөмкинлеккә ия булалар, бу кинематографик эзлеклелектә кадр саен әкрен хәрәкәтне кабатлауга охшаган, шуның белән аларның үзара бәйләнешен тирәнтен өйрәнәләр.

Аттосекунд лазерларыгалимнәрнең киң тикшеренүләре һәм бердәм тырышлыкларының нәтиҗәсе булып тора, алар сызыклы булмаган оптика принципларын кулланып, ультра тиз лазерлар ясаганнар. Аларның барлыкка килүе безгә каты материаллардагы атомнар, молекулалар һәм хәтта электроннар эчендә бара торган динамик процессларны күзәтү һәм өйрәнү өчен инновацион мөмкинлекләр бирде.

Аттосекунд лазерларының табигатен ачыклау һәм аларның гадәти лазерлар белән чагыштырганда гадәти булмаган үзенчәлекләрен бәяләү өчен, аларның киңрәк "лазер гаиләсе" эчендәге категорияләрен өйрәнү бик мөһим. Дулкын озынлыгы буенча классификация аттосекунд лазерларны, нигездә, ультрафиолеттан йомшак рентген ешлыкларына кадәр урнаштыра, бу аларның гадәти лазерлардан аермалы буларак, шактый кыска дулкын озынлыкларын күрсәтә. Чыгыш режимнары ягыннан аттосекунд лазерлар импульслы лазерлар категориясенә керә, алар импульсның бик кыска вакытлы булуы белән характерлана. Аңлату өчен, өзлексез дулкынлы лазерларны өзлексез яктылык нуры чыгаручы фонарь кебек күз алдына китерергә мөмкин, ә импульслы лазерлар стробоскоп яктылыкка охшаган, ул яктылык һәм караңгылык чорлары арасында тиз алышынып тора. Асылда, аттосекунд лазерлар яктылык һәм караңгылык эчендә пульсация үзенчәлекләрен күрсәтәләр, ләкин аларның ике халәт арасындагы күчүе гаҗәеп ешлыкта бара, аттосекундлар өлкәсенә барып җитә.

Көч буенча өстәмә категорияләргә бүлү лазерларны түбән куәтле, урта куәтле һәм югары куәтле төркемнәргә бүлә. Аттосекундлы лазерлар импульсларның бик кыска вакыт озынлыгы аркасында югары пик көченә ирешәләр, нәтиҗәдә пик көче (P) - вакыт берәмлегенә энергия интенсивлыгы буларак билгеләнә (P=W/t). Аерым аттосекундлы лазер импульслары гадәттән тыш зур энергиягә (W) ия булмаса да, аларның кыскартылган вакыт озынлыгы (t) аларга югары пик көче бирә.

Кулланылыш өлкәләре ягыннан, лазерлар сәнәгать, медицина һәм фәнни кушымталарны үз эченә алган спектрны үз эченә ала. Аттосекунд лазерлары, нигездә, фәнни тикшеренүләр өлкәсендә, бигрәк тә физика һәм химия өлкәләрендә тиз үзгәреш кичерүче күренешләрне өйрәнүдә үз урынын таба, микрокосмик дөньяның тиз динамик процессларына тәрәзә тәкъдим итә.

Лазер мохите буенча классификация лазерларны газ лазерлары, каты халәт лазерлары, сыек лазерлар һәм ярымүткәргеч лазерлар дип аера. Аттосекунд лазерларын генерацияләү, гадәттә, газ лазер мохитенә бәйле, югары тәртип гармоникаларын барлыкка китерү өчен сызыклы булмаган оптик эффектлардан файдалана.

Кыскасы, аттосекундлы лазерлар кыска импульслы лазерларның уникаль классын тәшкил итә, алар гадәттә аттосекундларда үлчәнгән гадәттән тыш кыска импульс озынлыгы белән аерылып торалар. Нәтиҗәдә, алар атомнар, молекулалар һәм каты материаллар эчендәге электроннарның ультра тиз динамик процессларын күзәтү һәм контрольдә тоту өчен алыштыргысыз коралларга әйләнделәр.

Аттосекунд лазер генерациясенең катлаулы процессы

Аттосекунд лазер технологиясе фәнни инновацияләрнең алгы сафында тора, аны булдыру өчен кызыклы һәм катгый шартлар җыелмасы белән мактана. Аттосекунд лазер генерациясенең нечкәлекләрен аңлату өчен, без аның төп принципларын кыскача аңлатудан башлыйбыз, аннары көндәлек тәҗрибәләрдән алынган ачык метафоралар китерәбез. Тиешле физиканың нечкәлекләрен белгән укучыларга өметсезлеккә бирелмәскә кирәк, чөнки аннан соңгы метафоралар аттосекунд лазерларның төп физикасын аңлаешлы итәргә юнәлтелгән.

Аттосекунд лазерларын генерацияләү процессы, нигездә, Югары Гармоник Генерация (ЮГГ) дип аталган техникага нигезләнә. Беренчедән, югары интенсивлыклы фемтосекунд (10^-15 секунд) лазер импульслары нуры газсыман максатлы материалга ныклы юнәлтелгән. Шунысын да билгеләп үтәргә кирәк, аттосекунд лазерларына охшаган фемтосекунд лазерлары кыска импульс озынлыгына һәм югары пик көченә ия булу үзенчәлекләренә ия. Интенсив лазер кыры йогынтысында газ атомнары эчендәге электроннар вакытлыча үзләренең атом төшләреннән аерыла, вакытлыча ирекле электроннар халәтенә керә. Бу электроннар лазер кырына җавап итеп тирбәлгәндә, алар ахыр чиктә үзләренең төп атом төшләренә кайталар һәм алар белән рекомбинацияләнәләр, яңа югары энергия халәтләре барлыкка китерәләр.

Бу процесс барышында электроннар бик югары тизлекләрдә хәрәкәт итәләр, һәм атом төшләре белән рекомбинацияләнгәндә, алар югары гармоник нурланышлар рәвешендә өстәмә энергия бүлеп чыгаралар, югары энергияле фотоннар рәвешендә күренәләр.

Бу яңа барлыкка китерелгән югары энергияле фотоннарның ешлыклары башлангыч лазер ешлыгының бөтен саннарына тапкырлана, югары тәртип гармоникалары дип атала, монда "гармоникалар" башлангыч ешлыкның интеграль тапкырлана торган ешлыкларын аңлата. Аттосекундлы лазерларга ирешү өчен, бу югары тәртип гармоникаларын фильтрларга һәм фокусларга кирәк була, билгеле бер гармоникаларны сайлап, аларны фокус ноктасына тупларга. Теләсәгез, импульсларны кысу ысуллары импульс озынлыгын тагын да кыскартырга, аттосекунд диапазонында ультра кыска импульслар алырга мөмкинлек бирә. Күрәсең, аттосекундлы лазерларны генерацияләү катлаулы һәм күпкырлы процесс булып тора, югары дәрәҗәдәге техник осталык һәм махсус җиһазлар таләп итә.

Бу катлаулы процессны аңлау өчен, без көндәлек хәлләргә нигезләнгән метафорик параллель тәкъдим итәбез:

Югары интенсивлыклы фемтосекундлы лазер импульслары:

Югары интенсивлыклы фемтосекундлы лазер импульслары кебек, ташларны тиз арада бик зур тизлектә ыргыта алырлык гаҗәеп көчле катапультага ия булуыгызны күз алдыгызга китерегез.

Газсыман максатлы материал:

Газсыман максатлы материалны символлаштырган тыныч сулык күз алдыгызга китерегез, анда һәр су тамчысы күпсанлы газ атомнарын символлаштыра. Бу сулык эченә ташларны этәрү гамәле югары интенсивлыклы фемтосекунд лазер импульсларының газсыман максатлы материалга йогынтысын охшаш рәвештә чагылдыра.

Электроннар хәрәкәте һәм рекомбинация (физик яктан күчеш дип атала):

Фемтосекундлы лазер импульслары газсыман максат материалындагы газ атомнарына тәэсир иткәндә, тышкы электроннарның күп өлеше вакытлыча үзләренең атом төшләреннән аерыла торган халәткә күтәрелә, плазмага охшаш халәт барлыкка китерә. Системаның энергиясе соңрак кимегәнлектән (лазер импульслары үзеннән-үзе импульсланганлыктан, туктау интерваллары белән), бу тышкы электроннар атом төшләре тирәсенә кайта, югары энергияле фотоннарны чыгара.

Югары гармоник генерация:

Күз алдыгызга китерегез, су тамчысы күл өслегенә төшкән саен, ул дулкыннар барлыкка китерә, аттосекунд лазерларындагы югары гармоникалар кебек. Бу дулкыннарның ешлыгы һәм амплитудасы беренчел фемтосекунд лазер импульсы китереп чыгарган башлангыч дулкыннарга караганда югарырак. HHG процессы вакытында көчле лазер нуры, ташларны өзлексез ыргытуга охшаган, күл өслегенә охшаган, газ максатын яктырта. Бу көчле лазер кыры газдагы электроннарны, дулкыннарга охшаган рәвештә, аларның төп атомнарыннан ераклаштыра һәм аннары аларны кире тарта. Электрон атомга кайткан саен, ул югарырак ешлыклы яңа лазер нуры чыгара, бу катлаулырак дулкын үрнәкләренә охшаган.

Фильтрлау һәм фокуслау:

Бу яңа барлыкка килгән лазер нурларының барысын да берләштергәндә, төрле төсләр (ешлыклар яки дулкын озынлыклары) спектры барлыкка килә, аларның кайберләре аттосекунд лазерын тәшкил итә. Билгеле бер дулкын зурлыкларын һәм ешлыкларын аеру өчен, сез теләгән дулкыннарны сайлау кебек махсус фильтр куллана аласыз һәм аларны билгеле бер өлкәгә фокуслау өчен лупа куллана аласыз.

Пульс кысу (кирәк булса):

Әгәр дә сез дулкыннарны тизрәк һәм кыскарак таратыр өчен тырышсагыз, махсус җайланма ярдәмендә аларның таралуын тизләтә аласыз, бу һәр дулкынның дәвам итү вакытын киметә. Аттосекунд лазерларын генерацияләү процессларның катлаулы үзара бәйләнешен үз эченә ала. Ләкин, аларны бүлеп караганда һәм күз алдына китергәндә, ул аңлаешлырак була.