2023 წლის 3 ოქტომბრის საღამოს, მნიშვნელოვანი განცხადებით გამოცხადდა ფიზიკის დარგში 2023 წლის ნობელის პრემიის ლაურეატი, რომელიც აღიარებს სამი მეცნიერის განსაკუთრებულ წვლილს, რომლებმაც გადამწყვეტი როლი ითამაშეს ატოწამიანი ლაზერული ტექნოლოგიის სფეროში პიონერებად.

ტერმინი „ატოწამიანი ლაზერი“ თავის სახელწოდებას იღებს მისი მოქმედების წარმოუდგენლად მოკლე დროის მაშტაბიდან, კერძოდ, ატოწამების რიგითობით, რაც შეესაბამება 10^-18 წამს. ამ ტექნოლოგიის ღრმა მნიშვნელობის გასაგებად, უმნიშვნელოვანესია ატოწამის მნიშვნელობის ფუნდამენტური გაგება. ატოწამი წარმოადგენს დროის უკიდურესად მცირე ერთეულს, რომელიც წამის მილიარდი ნაწილის ერთ მილიარდ ნაწილს შეადგენს ერთი წამის უფრო ფართო კონტექსტში. ამის პერსპექტივაში განსახილველად, თუ წამს შევადარებთ მაღალ მთას, ატოწამი იქნება მთის ძირში ჩაფლული ქვიშის ერთი მარცვალი. ამ ხანმოკლე დროში, სინათლეც კი ძლივს გადის ინდივიდუალური ატომის ზომის ეკვივალენტურ მანძილს. ატოწამიანი ლაზერების გამოყენებით, მეცნიერები იძენენ უპრეცედენტო შესაძლებლობას, შეისწავლონ და მანიპულირონ ატომურ სტრუქტურებში ელექტრონების რთული დინამიკა, კინემატოგრაფიულ თანმიმდევრობაში კადრ-კადრ შენელებული კადრის გამეორების მსგავსად, რითაც ჩაუღრმავდებიან მათ ურთიერთქმედებას.

ატოწამიანი ლაზერებიწარმოადგენს მეცნიერების ფართომასშტაბიანი კვლევისა და კოორდინირებული ძალისხმევის კულმინაციას, რომლებმაც არაწრფივი ოპტიკის პრინციპები გამოიყენეს ულტრასწრაფი ლაზერების შესაქმნელად. მათმა გაჩენამ მოგვცა ინოვაციური შესაძლებლობა მყარი მასალების ატომებში, მოლეკულებსა და ელექტრონებშიც კი მიმდინარე დინამიური პროცესების დაკვირვებისა და შესწავლისთვის.

ატოწამიანი ლაზერების ბუნების გასარკვევად და მათი არატრადიციული მახასიათებლების დასაფასებლად ჩვეულებრივ ლაზერებთან შედარებით, აუცილებელია მათი კატეგორიზაციის შესწავლა უფრო ფართო „ლაზერული ოჯახის“ ფარგლებში. ტალღის სიგრძის მიხედვით კლასიფიკაცია ატოწამიან ლაზერებს ძირითადად ულტრაიისფერი და რბილი რენტგენის სიხშირეების დიაპაზონში ათავსებს, რაც მიუთითებს მათ შესამჩნევად მოკლე ტალღის სიგრძეებზე ტრადიციულ ლაზერებთან შედარებით. გამომავალი რეჟიმების თვალსაზრისით, ატოწამიანი ლაზერები იმპულსური ლაზერების კატეგორიას მიეკუთვნება, რომლებიც ხასიათდება უკიდურესად მოკლე იმპულსური ხანგრძლივობით. ანალოგიის გასაგებად, შეგვიძლია წარმოვიდგინოთ უწყვეტი ტალღის ლაზერები, როგორც ფანარი, რომელიც ასხივებს სინათლის უწყვეტ სხივს, ხოლო იმპულსური ლაზერები ჰგავს სტრობოსკოპულ შუქს, რომელიც სწრაფად იცვლება განათებისა და სიბნელის პერიოდებს შორის. არსებითად, ატოწამიანი ლაზერები ავლენენ პულსაციურ ქცევას განათებისა და სიბნელის დროს, თუმცა მათი გადასვლა ორ მდგომარეობას შორის ხდება გასაოცარი სიხშირით, აღწევს ატოწამების სფეროს.

სიმძლავრის მიხედვით ლაზერების შემდგომი კატეგორიზაცია დაბალი, საშუალო და მაღალი სიმძლავრის კატეგორიებად იყოფა. ატოწამიანი ლაზერები მაღალ პიკურ სიმძლავრეს აღწევენ მათი უკიდურესად მოკლე იმპულსების ხანგრძლივობის გამო, რაც იწვევს გამოხატულ პიკურ სიმძლავრეს (P) - რომელიც განისაზღვრება, როგორც ენერგიის ინტენსივობა დროის ერთეულზე (P=W/t). მიუხედავად იმისა, რომ ცალკეულ ატოწამიან ლაზერულ იმპულსებს შეიძლება არ ჰქონდეთ განსაკუთრებით დიდი ენერგია (W), მათი შემოკლებული დროითი სიგრძე (t) მათ გაზრდილ პიკურ სიმძლავრეს ანიჭებს.

გამოყენების სფეროების თვალსაზრისით, ლაზერები მოიცავს ინდუსტრიულ, სამედიცინო და სამეცნიერო გამოყენებას. ატოწამიანი ლაზერები, ძირითადად, სამეცნიერო კვლევის სფეროში პოულობენ ადგილს, განსაკუთრებით ფიზიკისა და ქიმიის სფეროებში სწრაფად განვითარებადი ფენომენების შესწავლაში, რაც მიკროკოსმოსური სამყაროს სწრაფი დინამიური პროცესებისკენ ხედვის საშუალებას იძლევა.

ლაზერული გარემოს მიხედვით კატეგორიზაცია ლაზერებს განასხვავებს გაზის ლაზერებად, მყარი მდგომარეობის ლაზერებად, თხევადი ლაზერებისა და ნახევარგამტარული ლაზერების სახით. ატოწამიანი ლაზერების გენერაცია, როგორც წესი, გაზის ლაზერულ გარემოზეა დამოკიდებული და არაწრფივი ოპტიკურ ეფექტებს იყენებს მაღალი რიგის ჰარმონიკების შესაქმნელად.

შეჯამებისთვის, ატოწამიანი ლაზერები წარმოადგენენ მოკლე იმპულსური ლაზერების უნიკალურ კლასს, რომლებიც გამოირჩევიან თავიანთი არაჩვეულებრივად მოკლე იმპულსური ხანგრძლივობით, რომელიც, როგორც წესი, ატოწამებში იზომება. შედეგად, ისინი შეუცვლელ ინსტრუმენტებად იქცნენ ატომებში, მოლეკულებსა და მყარ მასალებში ელექტრონების ულტრასწრაფი დინამიური პროცესების დაკვირვებისა და კონტროლისთვის.

ატოწამიანი ლაზერის გენერირების რთული პროცესი

ატოწამიანი ლაზერული ტექნოლოგია სამეცნიერო ინოვაციების სათავეში დგას და მისი გენერირებისთვის საინტერესოდ მკაცრი პირობების ერთობლიობას გვთავაზობს. ატოწამიანი ლაზერის გენერაციის სირთულეების გასარკვევად, ჩვენ დავიწყებთ მისი ძირითადი პრინციპების ლაკონური გადმოცემით, რასაც მოჰყვება ყოველდღიური გამოცდილებიდან მიღებული ნათელი მეტაფორები. მკითხველს, რომელიც არ არის ჩახედული შესაბამისი ფიზიკის სირთულეებში, არ უნდა დაეცეს სასოწარკვეთა, რადგან შემდგომი მეტაფორების მიზანია ატოწამიანი ლაზერების ფუნდამენტური ფიზიკის ხელმისაწვდომად გახადოს.

ატოწამიანი ლაზერების გენერირების პროცესი ძირითადად ეფუძნება ტექნიკას, რომელიც ცნობილია როგორც მაღალი ჰარმონიული გენერაცია (HHG). პირველ რიგში, მაღალი ინტენსივობის ფემტოწამიანი (10^-15 წამი) ლაზერული იმპულსების სხივი მჭიდროდ არის ფოკუსირებული აირისებრ სამიზნე მასალაზე. აღსანიშნავია, რომ ფემტოწამიანი ლაზერები, ატოწამიანი ლაზერების მსგავსად, იზიარებენ მოკლე იმპულსების ხანგრძლივობისა და მაღალი პიკური სიმძლავრის ქონის მახასიათებლებს. ინტენსიური ლაზერული ველის გავლენით, გაზის ატომებში არსებული ელექტრონები მომენტალურად თავისუფლდებიან ატომური ბირთვებიდან და დროებით გადადიან თავისუფალი ელექტრონების მდგომარეობაში. როდესაც ეს ელექტრონები ირხევიან ლაზერული ველის საპასუხოდ, ისინი საბოლოოდ ბრუნდებიან და ხელახლა უერთდებიან თავიანთ მშობელ ატომურ ბირთვებს, ქმნიან ახალ მაღალი ენერგიის მდგომარეობებს.

ამ პროცესის დროს ელექტრონები უკიდურესად მაღალი სიჩქარით მოძრაობენ და ატომურ ბირთვებთან რეკომბინაციისას ისინი გამოყოფენ დამატებით ენერგიას მაღალი ჰარმონიული გამოსხივების სახით, რაც მაღალი ენერგიის ფოტონების სახით ვლინდება.

ამ ახლად წარმოქმნილი მაღალი ენერგიის ფოტონების სიხშირეები ორიგინალური ლაზერული სიხშირის მთელი რიცხვების ჯერადია და ქმნის ე.წ. მაღალი რიგის ჰარმონიკებს, სადაც „ჰარმონიკები“ აღნიშნავს სიხშირეებს, რომლებიც ორიგინალური სიხშირის ინტეგრალური ჯერადებია. ატოწამიანი ლაზერების მისაღებად აუცილებელი ხდება ამ მაღალი რიგის ჰარმონიკების გაფილტვრა და ფოკუსირება, კონკრეტული ჰარმონიკების შერჩევა და მათი ფოკუსირება ფოკუსურ წერტილში. სურვილის შემთხვევაში, იმპულსური შეკუმშვის ტექნიკას შეუძლია კიდევ უფრო შეამციროს იმპულსის ხანგრძლივობა, რაც ატოწამიან დიაპაზონში ულტრამოკლე იმპულსების მიღებას გამოიწვევს. ცხადია, ატოწამიანი ლაზერების გენერირება წარმოადგენს დახვეწილ და მრავალმხრივ პროცესს, რომელიც მოითხოვს მაღალი ხარისხის ტექნიკურ უნარებსა და სპეციალიზებულ აღჭურვილობას.

ამ რთული პროცესის დემისტიფიკაციის გასაგებად, ჩვენ გთავაზობთ მეტაფორულ პარალელს, რომელიც ყოველდღიურ სიტუაციებზეა დაფუძნებული:

მაღალი ინტენსივობის ფემტოწამიანი ლაზერული იმპულსები:

წარმოიდგინეთ, რომ გაქვთ განსაკუთრებით მძლავრი კატაპულტი, რომელსაც შეუძლია მყისიერად ისროლოს ქვები კოლოსალური სიჩქარით, მსგავსი როლისა, რასაც მაღალი ინტენსივობის ფემტოწამიანი ლაზერული იმპულსები ასრულებენ.

აირისებრი სამიზნო მასალა:

წარმოიდგინეთ წყლის წყნარი მასა, რომელიც სიმბოლურად გამოხატავს აირისებრ სამიზნე მასალას, სადაც წყლის თითოეული წვეთი წარმოადგენს უამრავ აირის ატომს. ქვების ამ წყლის მასაში გადაადგილების აქტი ანალოგიურად ასახავს მაღალი ინტენსივობის ფემტოწამიანი ლაზერული იმპულსების ზემოქმედებას აირისებრ სამიზნე მასალაზე.

ელექტრონის მოძრაობა და რეკომბინაცია (ფიზიკურად ეწოდება გადასვლა):

როდესაც ფემტოწამიანი ლაზერული იმპულსები ზემოქმედებენ აირისებრ სამიზნე მასალაში არსებულ გაზის ატომებზე, გარე ელექტრონების მნიშვნელოვანი რაოდენობა მომენტალურად აღიგზნება იმ მდგომარეობამდე, როდესაც ისინი შორდებიან თავიანთ შესაბამის ატომურ ბირთვებს, ქმნიან პლაზმის მსგავს მდგომარეობას. სისტემის ენერგიის შემდგომ შემცირებასთან ერთად (რადგან ლაზერული იმპულსები ბუნებით იმპულსირებულია და შეწყვეტის ინტერვალებით ხასიათდება), ეს გარე ელექტრონები ბრუნდებიან ატომური ბირთვების მახლობლად და გამოყოფენ მაღალი ენერგიის ფოტონებს.

მაღალი ჰარმონიული გენერაცია:

წარმოიდგინეთ, ყოველ ჯერზე, როდესაც წყლის წვეთი ტბის ზედაპირზე ეცემა, ის ტალღებს წარმოქმნის, რაც ატოწამიან ლაზერებში მაღალი ჰარმონიკების მსგავსია. ამ ტალღებს უფრო მაღალი სიხშირეები და ამპლიტუდები აქვთ, ვიდრე პირველადი ფემტოწამიანი ლაზერული იმპულსით გამოწვეული თავდაპირველი ტალღები. HHG პროცესის დროს, ძლიერი ლაზერული სხივი, ქვების უწყვეტი სროლის მსგავსი, ანათებს გაზის სამიზნეს, რომელიც ტბის ზედაპირს წააგავს. ეს ინტენსიური ლაზერული ველი გაზში არსებულ ელექტრონებს, ტალღების ანალოგიურად, მათი მშობელი ატომებისგან შორს აგზავნის და შემდეგ უკან იზიდავს. ყოველ ჯერზე, როდესაც ელექტრონი ატომს უბრუნდება, ის ასხივებს ახალ ლაზერულ სხივს უფრო მაღალი სიხშირით, რაც უფრო რთული ტალღური ნიმუშების მსგავსია.

ფილტრაცია და ფოკუსირება:

ახლად გენერირებული ლაზერული სხივების გაერთიანებით მიიღება სხვადასხვა ფერის (სიხშირეების ან ტალღის სიგრძის) სპექტრი, რომელთაგან ზოგიერთი ატოწამიან ლაზერს წარმოადგენს. კონკრეტული ტალღების ზომისა და სიხშირეების იზოლირებისთვის, შეგიძლიათ გამოიყენოთ სპეციალიზებული ფილტრი, სასურველი ტალღების შერჩევის მსგავსი და გამოიყენოთ გამადიდებელი შუშა მათ კონკრეტულ არეალზე ფოკუსირებისთვის.

პულსური შეკუმშვა (საჭიროების შემთხვევაში):

თუ ტალღების უფრო სწრაფად და მოკლედ გავრცელებას ისახავს მიზნად, სპეციალიზებული მოწყობილობის გამოყენებით შეგიძლიათ დააჩქაროთ მათი გავრცელება, რაც შეამცირებს თითოეული ტალღის ხანგრძლივობის დროს. ატოწამიანი ლაზერების გენერირება პროცესების რთულ ურთიერთქმედებას მოიცავს. თუმცა, მისი დაშლისა და ვიზუალიზაციის შემდეგ, ის უფრო გასაგები ხდება.