في إعلان بالغ الأهمية في مساء يوم 3 أكتوبر 2023 ، تم الكشف عن جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2023 ، معترفًا بالمساهمات المتميزة لثلاثة علماء لعبوا أدوارًا محورية كرواد في مجال تكنولوجيا ليزر أتوسكوند.

يستمد مصطلح "Attosecond Laser" اسمه من النطاق الزمني الموجز بشكل لا يصدق الذي يعمل عليه ، وتحديداً بترتيب Attoseconds ، المقابل لـ 10^-18 ثانية. لفهم الأهمية العميقة لهذه التكنولوجيا ، فإن الفهم الأساسي لما يدل على Attosecond هو أمر بالغ الأهمية. يقف Attosecond كوحدة زمنية دقيقة للغاية ، تشكل مليار مليار من المليار من الثانية في السياق الأوسع لثانية واحدة. لوضع هذا في نصابها الصحيح ، إذا كنا نرغب في الحصول على ثانية إلى جبل شاهق ، فإن Attosecond سيكون أقرب إلى حبة واحدة من الرمال التي تقع في قاعدة الجبل. في هذا الفاصل الزمني السريع ، حتى للضوء بالكاد يمكن أن يعبر المسافة المكافئة لحجم الذرة الفردية. من خلال استخدام الليزر Attosecond ، يكتسب العلماء القدرة غير المسبوقة على التدقيق والتعامل مع الديناميات المعقدة للإلكترونات داخل الهياكل الذرية ، مماثلة لإعادة تشغيل الحركة البطيئة في إطار على حدة في تسلسل سينمائي ، وبالتالي الخوض في المباراة.

الليزر Attosecondتمثل تتويجا للبحث المكثف والجهود المتضافرة من قبل العلماء ، الذين قاموا بتسخير مبادئ البصريات غير الخطية لصياغة الليزر فائق السرعة. لقد زودنا مجيئهم بنقطة مبتكرة لملاحظة واستكشاف العمليات الديناميكية التي تنقل داخل الذرات والجزيئات وحتى الإلكترونات في مواد صلبة.

لتوضيح طبيعة الليزر Attosecond وتقدير سماتها غير التقليدية مقارنةً بالليزر التقليدي ، من الضروري استكشاف تصنيفها داخل "عائلة الليزر" الأوسع. يضع التصنيف حسب الطول الموجي ليزر Attosecond في الغالب في نطاق الأشعة فوق البنفسجية إلى ترددات الأشعة السينية الناعمة ، مما يدل على أطوال موجاتها الأقصر على عكس الليزر التقليدي. من حيث أوضاع الإخراج ، تندرج الليزر Attosecond ضمن فئة الليزر النبضي ، والتي تتميز بفترات النبض المختصرة للغاية. لاستخلاص تشبيه للوضوح ، يمكن للمرء أن يتصور ليزر الموجة المستمرة مثل المصباح الذي ينبعث منه شعاع مستمر من الضوء ، بينما تشبه الليزر النبضي الضوء القوي ، يتناوب بسرعة بين فترات الإضاءة والظلام. في جوهرها ، تظهر ليزر Attosecond سلوكًا نابضًا داخل الإضاءة والظلام ، ومع ذلك فإن انتقالها بين الدولتين تتضاعف بتردد مذهل ، حيث وصلت إلى عالم Attoseconds.

مزيد من التصنيف من قبل الطاقة يضع الليزر في أقواس منخفضة الطاقة ، والمتوسطة ، والأقواس عالية الطاقة. تحقق الليزر Attosecond طاقة عالية الذروة بسبب فترات النبض القصيرة للغاية ، مما يؤدي إلى قوة ذروة واضحة (P) - التي يتم تعريفها على أنها شدة الطاقة لكل وحدة زمنية (P = W/T). على الرغم من أن نبضات ليزر Attosecond الفردية قد لا تمتلك طاقة كبيرة بشكل استثنائي (W) ، إلا أن المدى الزمني المختصر (T) يضفيها بقوة ذروة مرتفعة.

من حيث مجالات التطبيق ، تمتد الليزر طيف يشمل التطبيقات الصناعية والطبية والعلمية. تجد ليزر Attosecond في المقام الأول مكانتها في عالم الأبحاث العلمية ، وخاصة في استكشاف الظواهر المتطورة بسرعة داخل مجالات الفيزياء والكيمياء ، مما يوفر نافذة في العمليات الديناميكية السريعة في العالم الصغرى.

التصنيف بواسطة الليزر المتوسطة يحدد ليزر مثل ليزر الغاز ، وأشعة الليزر في الحالة الصلبة ، وأشعة الليزر السائل ، وليزر أشباه الموصلات. عادةً ما يتوقف جيل ليزر Attosecond على وسائل الإعلام الليزر الغازية ، حيث يستفيد من التأثيرات البصرية غير الخطية لتوفير التوافقيات عالية الترتيب.

باختصار ، تشكل الليزر Attosecond فئة فريدة من أشعة الليزر القصيرة ، التي تتميز بفترات النبض المختصرة بشكل غير عادي ، تقاس عادة في Attoseconds. نتيجة لذلك ، أصبحت أدوات لا غنى عنها لمراقبة والتحكم في العمليات الديناميكية الفائقة للإلكترونات داخل الذرات والجزيئات والمواد الصلبة.

عملية تفصيلية لتوليد الليزر ATTOSECOND

تقف تقنية الليزر Attosecond في طليعة الابتكار العلمي ، وتتميز بمجموعة من الظروف الصارمة المثيرة للاهتمام لتوليدها. لتوضيح تعقيدات توليد ليزر Attosecond ، نبدأ بمعرض موجز لمبادئه الأساسية ، تليها استعارات حية مستمدة من التجارب اليومية. لا يحتاج القراء الذين لم يكونوا عودوا في تعقيدات الفيزياء ذات الصلة إلى اليأس ، حيث تهدف الاستعارات التي تلت ذلك إلى جعل الفيزياء التأسيسية لليزر Attosecond يمكن الوصول إليها.

تعتمد عملية توليد الليزر في Attosecond بشكل أساسي على التقنية المعروفة باسم توافقي عالية (HHG). أولاً ، تركز شعاع من نبضات الليزر عالي الكثافة (10^-15 ثانية) بإحكام على مادة مستهدفة غازية. تجدر الإشارة إلى أن ليزر FemtoSecond ، أقرب إلى ليزر Attosecond ، تشترك في خصائص امتلاك فترات النبض القصيرة وقوة الذروة العالية. تحت تأثير حقل الليزر المكثف ، يتم تحرير الإلكترونات داخل ذرات الغاز مؤقتًا من نواةها الذرية ، مما يدخل بشكل عابر حالة من الإلكترونات الحرة. نظرًا لأن هذه الإلكترونات تتأرجح استجابةً لحقل الليزر ، فإنها في النهاية تعود إلى النوى الذرية الوالدين وإعادة تجميعها ، مما يخلق حالات جديدة عالية الطاقة.

خلال هذه العملية ، تتحرك الإلكترونات بسرعات عالية للغاية ، وعند إعادة التركيب مع النوى الذرية ، تطلق طاقة إضافية في شكل انبعاثات توافقية عالية ، تتجلى في فوتونات عالية الطاقة.

إن ترددات هذه الفوتونات ذات الطاقة العالية التي تم إنشاؤها حديثًا هي مضاعفات عدد صحيح من تردد الليزر الأصلي ، مما يشكل ما يسمى التوافقيات عالية الترتيب ، حيث تشير التوافقيات إلى الترددات التي هي مضاعفات متكاملة للتردد الأصلي. للوصول إلى الليزر Attosecond ، يصبح من الضروري تصفية هذه التوافقيات عالية الترتيب وتركيزها ، واختيار التوافقيات المحددة وتركيزها في نقطة محورية. إذا رغبت في ذلك ، يمكن أن تختصر تقنيات ضغط النبض عن مدة النبض ، مما ينتج عنه نبضات فائقة القصة في نطاق Attosecond. من الواضح أن توليد ليزر Attosecond يشكل عملية متطورة ومتعددة الأوجه ، تتطلب درجة عالية من البراعة التقنية والمعدات المتخصصة.

لإزالة الغموض عن هذه العملية المعقدة ، نقدم موازية مجازية على أساس السيناريوهات اليومية:

نبضات ليزر فيمتوثانية عالي الكثافة:

تصور امتلاك المنجنيق القوي بشكل استثنائي قادر على إلقاء الحجارة على الفور بسرعات هائلة ، أقرب إلى الدور الذي تلعبه نبضات ليزر فيمتوثانية عالية الكثافة.

المواد المستهدفة الغازية:

تصور جسمًا هادئًا من الماء يرمز إلى المادة المستهدفة الغازية ، حيث تمثل كل قطرة من الماء ذرات غاز لا تعد ولا تحصى. يعكس فعل دفع الحجارة في هذا الجسم من الماء بشكل مشابه تأثير نبضات الليزر فيمتوثانية عالية الكثافة على المادة المستهدفة الغازية.

حركة الإلكترون وإعادة التركيب (المسمى جسديا الانتقال):

عندما تؤثر نبضات الليزر الفمتوثانية على ذرات الغاز داخل المادة المستهدفة الغازية ، فإن عددًا كبيرًا من الإلكترونات الخارجية متحمس للحظات لحالة تنفصل عن نوى الذرية الخاصة بكل منها ، وتشكل حالة تشبه البلازما. مع انخفاض طاقة النظام لاحقًا (نظرًا لأن نبضات الليزر نبض بطبيعتها ، والتي تتميز بفواصل زمنية من الإقلاع) ، فإن هذه الإلكترونات الخارجية تعود إلى محيط النوى الذرية ، مما أدى إلى إطلاق فوتونات عالية الطاقة.

جيل توافقي عالي:

تخيل في كل مرة تعود فيها قطرة مائية إلى سطح البحيرة ، فإنها تخلق تموجات ، مثل التوافقيات العالية في ليزر Attosecond. هذه التموجات لها ترددات وسعات أعلى من التموجات الأصلية الناجمة عن نبض الليزر الأساسي فيمتوثانية. أثناء عملية HHG ، تضيء شعاع ليزر قوي ، أقرب إلى رمي الحجارة باستمرار ، هدف الغاز ، يشبه سطح البحيرة. يدفع حقل الليزر المكثف هذا الإلكترونات في الغاز ، مماثلة لتموجات ، بعيدًا عن ذرات الأم ثم يسحبها. في كل مرة يعود فيها الإلكترون إلى الذرة ، ينبعث من شعاع ليزر جديد بتردد أعلى ، أقرب إلى أنماط تموج أكثر تعقيدًا.

تصفية وتركيز:

إن الجمع بين كل هذه الحزم الليزرية التي تم إنشاؤها حديثًا تؤدي إلى مجموعة من الألوان المختلفة (الترددات أو الأطوال الموجية) ، والتي يشكل بعضها ليزر Attosecond. لعزل أحجام وترددات تموج محددة ، يمكنك استخدام مرشح متخصص ، أقرب إلى اختيار التموجات المطلوبة ، وتوظيف كوب مكبرة لتركيزها على منطقة معينة.

ضغط النبض (إذا لزم الأمر):

إذا كنت تهدف إلى نشر التموجات بشكل أسرع وأقصر ، فيمكنك تسريع انتشارها باستخدام جهاز متخصص ، مما يقلل من الوقت الذي يستمر فيه كل تموج. يتضمن توليد الليزر Attosecond تفاعلًا معقدًا للعمليات. ومع ذلك ، عند الانهيار وتصور ، يصبح أكثر فهمًا.