Mewn cyhoeddiad tyngedfennol ar noson Hydref 3, 2023, dadorchuddiwyd Gwobr Nobel mewn Ffiseg am y flwyddyn 2023, gan gydnabod cyfraniadau rhagorol tri gwyddonydd sydd wedi chwarae rhan ganolog fel arloeswyr ym myd technoleg laser attosecond.

Mae'r term "laser attosecond" yn deillio o'r amserlen hynod fyr y mae'n gweithredu arni, yn benodol yn nhrefn attosecondau, sy'n cyfateb i 10 ^-18 eiliad. Er mwyn deall arwyddocâd dwfn y dechnoleg hon, mae dealltwriaeth sylfaenol o'r hyn y mae attosecond yn ei olygu yn hollbwysig. Mae attosecond yn sefyll fel uned hynod o funudau o amser, sef un biliynau o biliynau o eiliad o fewn cyd-destun ehangach eiliad sengl. I roi hyn mewn persbectif, pe baem yn cyffelybu eiliad i fynydd uchel, byddai attosecond yn debyg i un gronyn o dywod yn swatio ar waelod y mynydd. Yn y cyfwng amser byrlymus hwn, prin y gall hyd yn oed golau groesi pellter sy'n cyfateb i faint atom unigol. Trwy ddefnyddio laserau attosecond, mae gwyddonwyr yn ennill y gallu digynsail i graffu a thrin deinameg cywrain electronau o fewn strwythurau atomig, yn debyg i ailchwarae symudiad araf ffrâm wrth ffrâm mewn dilyniant sinematig, a thrwy hynny ymchwilio i'w cydadwaith.

laserau Attosecondcynrychioli penllanw ymchwil helaeth ac ymdrechion ar y cyd gan wyddonwyr, sydd wedi harneisio egwyddorion opteg aflinol i gynhyrchu laserau gwibgyswllt. Mae eu dyfodiad wedi rhoi gwylfan arloesol i ni ar gyfer arsylwi ac archwilio'r prosesau deinamig sy'n treiddio o fewn atomau, moleciwlau, a hyd yn oed electronau mewn deunyddiau solet.

Er mwyn egluro natur laserau attosecond a gwerthfawrogi eu priodoleddau anghonfensiynol o'u cymharu â laserau confensiynol, mae'n hanfodol archwilio eu categoreiddio o fewn y "teulu laser" ehangach. Mae dosbarthiad yn ôl tonfedd yn gosod laserau attosecond yn bennaf o fewn yr ystod o amleddau uwchfioled i belydr-X meddal, sy'n dynodi eu tonfeddi hynod fyrrach o gymharu â laserau confensiynol. O ran moddau allbwn, mae laserau attosecond yn dod o dan y categori o laserau pwls, a nodweddir gan eu hyd pwls hynod fyr. I luniadu cyfatebiaeth ar gyfer eglurder, gellir rhagweld laserau tonnau di-dor yn debyg i fflach-olau sy'n allyrru pelydryn parhaus o olau, tra bod laserau pwls yn ymdebygu i olau strôb, yn gyflym bob yn ail rhwng cyfnodau o olau a thywyllwch. Yn y bôn, mae laserau attosecond yn arddangos ymddygiad curiadus o fewn y goleuo a'r tywyllwch, ac eto mae eu trawsnewidiad rhwng y ddau gyflwr yn digwydd yn rhyfeddol o aml, gan gyrraedd y byd o atsecondau.

Mae categoreiddio pellach yn ôl pŵer yn gosod laserau yn fracedi pŵer isel, pŵer canolig a phŵer uchel. Mae laserau Attosecond yn cyflawni pŵer brig uchel oherwydd eu cyfnodau pwls hynod o fyr, gan arwain at bŵer brig amlwg (P) - a ddiffinnir fel dwyster egni fesul uned amser (P=W/t). Er ei bod yn bosibl nad yw curiadau laser attosecond unigol yn meddu ar egni eithriadol o fawr (W), mae eu graddau amser cryno (t) yn rhoi pŵer brig uchel iddynt.

O ran parthau cymhwyso, mae laserau yn rhychwantu sbectrwm sy'n cwmpasu cymwysiadau diwydiannol, meddygol a gwyddonol. Mae laserau Attosecond yn bennaf yn dod o hyd i'w gilfach o fewn maes ymchwil wyddonol, yn enwedig wrth archwilio ffenomenau sy'n datblygu'n gyflym ym meysydd ffiseg a chemeg, gan gynnig ffenestr i brosesau deinamig cyflym y byd microcosmig.

Mae categoreiddio yn ôl cyfrwng laser yn amlinellu laserau fel laserau nwy, laserau cyflwr solet, laserau hylif, a laserau lled-ddargludyddion. Mae cynhyrchu laserau attosecond fel arfer yn dibynnu ar gyfryngau laser nwy, gan fanteisio ar effeithiau optegol aflinol i greu harmoneg lefel uchel.

I grynhoi, mae laserau attosecond yn ddosbarth unigryw o laserau pwls byr, sy'n cael eu gwahaniaethu gan eu hyd pwls hynod o fyr, a fesurir yn nodweddiadol mewn at eiliadau. O ganlyniad, maent wedi dod yn offer anhepgor ar gyfer arsylwi a rheoli prosesau deinamig cyflym iawn electronau o fewn atomau, moleciwlau a deunyddiau solet.

Proses Cymhleth Cynhyrchu Laser Attosecond

Mae technoleg laser Attosecond ar flaen y gad o ran arloesi gwyddonol, gan frolio set o amodau hynod o drylwyr ar gyfer ei chynhyrchu. I egluro cymhlethdodau cynhyrchu laser attosecond, rydym yn dechrau gydag esboniad cryno o'i egwyddorion sylfaenol, ac yna trosiadau byw sy'n deillio o brofiadau bob dydd. Nid oes angen anobeithio ar ddarllenwyr nad ydynt yn gyfarwydd â chymhlethdodau'r ffiseg berthnasol, gan fod y trosiadau dilynol yn anelu at wneud ffiseg sylfaenol laserau attosecond yn hygyrch.

Mae'r broses o gynhyrchu laserau attosecond yn dibynnu'n bennaf ar y dechneg a elwir yn Genhedlaeth Harmonig Uchel (HHG). Yn gyntaf, mae pelydryn o gorbys laser ffemtosecond (10 ^-15 eiliad) dwysedd uchel wedi'i ganolbwyntio'n dynn ar ddeunydd targed nwyol. Mae'n werth nodi bod laserau femtosecond, yn debyg i ail laserau, yn rhannu nodweddion meddu ar gyfnodau pwls byr a phŵer brig uchel. O dan ddylanwad y maes laser dwys, mae electronau yn yr atomau nwy yn cael eu rhyddhau am ennyd o'u cnewyllyn atomig, gan fynd i mewn i gyflwr o electronau rhydd dros dro. Wrth i'r electronau hyn osgiliad mewn ymateb i'r maes laser, maent yn y pen draw yn dychwelyd i'w rhiant niwclysau atomig ac yn ailgyfuno â nhw, gan greu cyflyrau ynni uchel newydd.

Yn ystod y broses hon, mae electronau'n symud ar gyflymder uchel iawn, ac ar ôl ailgyfuno â'r niwclysau atomig, maent yn rhyddhau egni ychwanegol ar ffurf allyriadau harmonig uchel, gan amlygu fel ffotonau ynni uchel.

Mae amleddau'r ffotonau ynni uchel hyn sydd newydd eu cynhyrchu yn lluosrifau cyfanrif o'r amledd laser gwreiddiol, gan ffurfio'r hyn a elwir yn harmonics lefel uchel, lle mae "harmoneg" yn dynodi amleddau sy'n lluosrifau annatod o'r amledd gwreiddiol. Er mwyn cyrraedd ail laserau, mae'n rhaid hidlo a chanolbwyntio'r harmoneg lefel uchel hyn, gan ddewis harmonigau penodol a'u crynhoi yn ganolbwynt. Os dymunir, gall technegau cywasgu curiad y galon dalfyrru hyd y curiad ymhellach, gan roi curiadau byr iawn yn yr ystod attosecond. Yn amlwg, mae cynhyrchu laserau attosecond yn broses soffistigedig ac amlochrog, sy'n gofyn am lefel uchel o allu technegol ac offer arbenigol.

Er mwyn gwneud y broses gymhleth hon yn llai dirgel, rydym yn cynnig paralel trosiadol wedi’i seilio ar senarios bob dydd:

Curiadau Laser Femtosecond Dwysedd Uchel:

Envision yn meddu ar gatapwlt eithriadol o bwerus sy'n gallu hyrddio cerrig ar gyflymder aruthrol ar unwaith, yn debyg i'r rôl a chwaraeir gan gorbys laser ffemtosecond dwysedd uchel.

Deunydd targed nwyol:

Darluniwch gorff llonydd o ddŵr sy'n symbol o'r defnydd targed nwyol, lle mae pob defnyn o ddŵr yn cynrychioli myrdd o atomau nwy. Mae'r weithred o yrru cerrig i'r corff hwn o ddŵr yn adlewyrchu'n gyfatebol effaith corbys laser femtosecond dwysedd uchel ar y deunydd targed nwyol.

Mudiant ac Ailgyfuno Electron (Trawsnewid a elwir yn Gorfforol):

Pan fydd curiadau laser femtosecond yn effeithio ar yr atomau nwy yn y deunydd targed nwyol, mae nifer sylweddol o electronau allanol yn cael eu cyffroi ar hyn o bryd i gyflwr lle maent yn datgysylltu oddi wrth eu cnewyllyn atomig priodol, gan ffurfio cyflwr tebyg i plasma. Wrth i egni'r system leihau wedyn (gan fod y curiadau laser yn cael eu curo'n gynhenid, gan gynnwys cyfnodau darfodedig), mae'r electronau allanol hyn yn dychwelyd i'w cyffiniau â'r niwclysau atomig, gan ryddhau ffotonau ynni uchel.

Cenhedlaeth Harmonig Uchel:

Dychmygwch bob tro y bydd defnyn dŵr yn disgyn yn ôl i wyneb y llyn, mae'n creu crychdonnau, yn debyg iawn i harmonics uchel mewn laserau attosecond. Mae gan y crychdonnau hyn amleddau ac osgledau uwch na'r crychdonnau gwreiddiol a achosir gan y curiad laser femtosecond cynradd. Yn ystod y broses HHG, mae pelydr laser pwerus, sy'n debyg i daflu cerrig yn barhaus, yn goleuo targed nwy, sy'n debyg i wyneb y llyn. Mae'r maes laser dwys hwn yn gwthio electronau yn y nwy, sy'n cyfateb i crychdonnau, oddi wrth eu rhiant atomau ac yna'n eu tynnu'n ôl. Bob tro mae electron yn dychwelyd i'r atom, mae'n allyrru pelydr laser newydd ag amledd uwch, yn debyg i batrymau crychdonni mwy cymhleth.

Hidlo a Chanolbwyntio:

Mae cyfuno'r holl drawstiau laser hyn sydd newydd eu cynhyrchu yn cynhyrchu sbectrwm o liwiau amrywiol (amleddau neu donfeddi), y mae rhai ohonynt yn gyfystyr â'r laser attosecond. I ynysu meintiau ac amlder crychdonnau penodol, gallwch ddefnyddio hidlydd arbenigol, tebyg i ddewis crychdonnau dymunol, a defnyddio chwyddwydr i'w ffocysu ar faes penodol.

Cywasgiad Pwls (os oes angen):

Os ydych chi'n bwriadu lluosogi crychdonnau'n gyflymach ac yn fyrrach, gallwch chi gyflymu eu lluosogiad gan ddefnyddio dyfais arbenigol, gan leihau'r amser y mae pob crychdon yn para. Mae cynhyrchu laserau attosecond yn cynnwys cydadwaith cymhleth o brosesau. Fodd bynnag, pan gaiff ei dorri i lawr a'i ddelweddu, mae'n dod yn fwy dealladwy.