Mewn cyhoeddiad pwysig ar noson Hydref 3, 2023, dadorchuddiwyd y Wobr Nobel mewn Ffiseg am y flwyddyn 2023, gan gydnabod cyfraniadau rhagorol tri gwyddonydd sydd wedi chwarae rolau canolog fel arloeswyr ym myd technoleg laser Attosecond.

Mae'r term "Laser Attosecond" yn deillio ei enw o'r amserlen anhygoel o gryno y mae'n gweithredu arno, yn benodol yn nhrefn attoseconds, sy'n cyfateb i 10^-18 eiliad. Er mwyn deall arwyddocâd dwys y dechnoleg hon, mae dealltwriaeth sylfaenol o'r hyn y mae Attosecond yn ei nodi yn hollbwysig. Mae Attosecond yn sefyll fel uned amser hynod o amser, gan gyfystyr â biliwn o biliwn o biliwn o eiliad yng nghyd -destun ehangach un eiliad. I roi hyn mewn persbectif, pe byddem yn debyg i eiliad i fynydd uchel, byddai Attosecond yn debyg i raen sengl o dywod yn swatio wrth waelod y mynydd. Yn yr egwyl amserol fflyd hon, prin y gall golau hyd yn oed groesi pellter sy'n cyfateb i faint atom unigol. Trwy ddefnyddio laserau Attosecond, mae gwyddonwyr yn ennill y gallu digynsail i graffu a thrin dynameg gywrain electronau o fewn strwythurau atomig, yn debyg i ailchwarae symudiad araf ffrâm-wrth-ffrâm ffrâm ffrâm mewn dilyniant sinematig, a thrwy hynny ymchwilio i'w cyd-chwarae.

Laserau AttosecondCynrychioli penllanw ymchwil helaeth ac ymdrechion cydunol gan wyddonwyr, sydd wedi harneisio egwyddorion opteg aflinol i grefft laserau ultrafast. Mae eu dyfodiad wedi rhoi man gwylio arloesol inni ar gyfer arsylwi ac archwilio'r prosesau deinamig sy'n cael eu trosi o fewn atomau, moleciwlau, a hyd yn oed electronau mewn deunyddiau solet.

Er mwyn egluro natur laserau Attosecond a gwerthfawrogi eu priodoleddau anghonfensiynol o gymharu 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 pelydr-X uwchfioled i feddal, gan nodi eu tonfeddi hynod fyrrach mewn cyferbyniad â laserau confensiynol. O ran dulliau allbwn, mae laserau Attosecond yn dod o dan y categori laserau pylsog, a nodweddir gan eu cyfnodau pwls hynod fyr. Er mwyn tynnu cyfatebiaeth er eglurder, gall rhywun ragweld laserau tonnau parhaus yn debyg i flashlight sy'n allyrru pelydr parhaus o olau, tra bod laserau pylsedig yn debyg i olau strôb, bob yn ail yn gyflym rhwng cyfnodau goleuo a thywyllwch. Yn y bôn, mae laserau Attosecond yn arddangos ymddygiad pylsodol o fewn y goleuo a'r tywyllwch, ac eto mae eu trosglwyddiad rhwng y ddwy wladwriaeth yn digwydd ar amledd rhyfeddol, gan gyrraedd tir yr attosecondau.

Categoreiddio pellach yn ôl lleoedd pŵer laserau i mewn i bwer isel, pŵer canolig, a cromfachau pŵer uchel. Mae laserau Attosecond yn cyflawni pŵer brig uchel oherwydd eu cyfnodau pwls byr iawn, gan arwain at bŵer brig amlwg (P) - a ddiffinnir fel dwyster yr egni fesul amser uned (p = w/t). Er efallai na fydd corbys laser attosecond unigol yn meddu ar egni eithriadol o fawr (W), mae eu maint amserol cryno (T) yn eu rhannu â phŵer brig uchel.

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

Mae categoreiddio gan Laser Medium yn amlinellu laserau fel laserau nwy, laserau cyflwr solid, laserau hylifol, a laserau lled-ddargludyddion. Mae'r genhedlaeth o laserau Attosecond fel arfer yn dibynnu ar gyfryngau laser nwy, gan fanteisio ar effeithiau optegol aflinol i gynnal harmonigau trefn uchel.

I grynhoi, mae laserau Attosecond yn ddosbarth unigryw o laserau pwls byr, sy'n cael eu gwahaniaethu gan eu cyfnodau pwls byr o fyr, wedi'u mesur yn nodweddiadol mewn attoseconds. O ganlyniad, maent wedi dod yn offer anhepgor ar gyfer arsylwi a rheoli prosesau deinamig ultrafast electronau o fewn atomau, moleciwlau a deunyddiau solet.

Y broses gywrain o gynhyrchu laser attosecond

Mae Technoleg Laser Attosecond yn sefyll ar flaen y gad o ran arloesi gwyddonol, gan frolio set o gyflyrau diddorol trwyadl ar gyfer ei genhedlaeth. Er mwyn egluro cymhlethdodau cynhyrchu laser attosecond, dechreuwn gydag esboniad cryno o'i egwyddorion sylfaenol, ac yna trosiadau byw sy'n deillio o brofiadau bob dydd. Nid oes angen i ddarllenwyr sydd heb eu gwrthdroi yng nghymhlethdodau'r ffiseg berthnasol anobaith, gan fod y trosiadau sy'n dilyn yn anelu at wneud ffiseg sylfaenol laserau Attosecond yn hygyrch.

Mae proses gynhyrchu laserau Attosecond yn dibynnu'n bennaf ar y dechneg a elwir yn genhedlaeth harmonig uchel (HHG). Yn gyntaf, mae trawst o gorbys laser femtosecond (10^-15 eiliad) dwyster uchel yn canolbwyntio'n dynn ar ddeunydd targed nwyol. Mae'n werth nodi bod laserau femtosecond, yn debyg i laserau Attosecond, yn rhannu nodweddion meddu ar gyfnodau pwls byr a phwer brig uchel. O dan ddylanwad y maes laser dwys, mae electronau o fewn yr atomau nwy yn cael eu rhyddhau ar unwaith o'u niwclysau atomig, gan fynd i mewn dros dro mewn cyflwr o electronau rhydd. Gan fod yr electronau hyn yn pendilio mewn ymateb i'r maes laser, maent yn y pen draw yn dychwelyd i'w rhiant niwclysau atomig ac yn eu hailgyfuno, gan greu gwladwriaethau egni uchel newydd.

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

Mae amleddau'r ffotonau egni uchel hyn sydd newydd eu cynhyrchu yn lluosrifau cyfanrif o amledd laser gwreiddiol, gan ffurfio'r hyn a elwir yn harmonigau trefn uchel, lle mae "harmonigau" yn dynodi amleddau sy'n lluosrifau annatod yr amledd gwreiddiol. Er mwyn cyrraedd laserau attosecond, bydd angen hidlo a chanolbwyntio'r harmonigau uchel hyn, gan ddewis harmonigau penodol a'u canolbwyntio i ganolbwynt. Os dymunir, gall technegau cywasgu pwls dalfyrru hyd y pwls ymhellach, gan gynhyrchu corbys ultra-byr yn yr ystod Attosecond. Yn amlwg, mae cynhyrchu laserau Attosecond yn broses soffistigedig ac amlochrog, gan fynnu lefel uchel o allu technegol ac offer arbenigol.

Er mwyn diffinio'r broses gywrain hon, rydym yn cynnig cyfochrog trosiadol wedi'i seilio ar senarios bob dydd:

Corbys laser femtosecond dwyster uchel:

Rhagweld yn meddu ar gatapwlt eithriadol o gryf sy'n gallu hyrddio cerrig ar unwaith ar gyflymder enfawr, yn debyg i'r rôl y mae corbys laser femtosecond dwyster uchel yn ei chwarae.

Deunydd targed nwyol:

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

Cynnig ac ailgyfuno electronau (a elwir yn gorfforol pontio):

Pan fydd corbys laser femtosecond yn effeithio ar yr atomau nwy yn y deunydd targed nwyol, mae nifer sylweddol o electronau allanol yn cael eu cyffroi ar unwaith i wladwriaeth lle maent yn datgysylltu oddi wrth eu priod niwclysau atomig, gan ffurfio gwladwriaeth debyg i plasma. Wrth i egni'r system leihau wedi hynny (gan fod y corbys laser yn cael eu pylsio'n gynhenid, sy'n cynnwys cyfnodau rhoi'r gorau iddi), mae'r electronau allanol hyn yn dychwelyd i'w cyffiniau o'r niwclysau atomig, gan ryddhau ffotonau egni uchel.

Cenhedlaeth harmonig uchel:

Dychmygwch bob tro y mae defnyn dŵr yn cwympo yn ôl i wyneb y llyn, mae'n creu crychdonnau, yn debyg iawn i harmonigau uchel mewn laserau Attosecond. Mae gan y crychdonnau hyn amleddau uwch ac amplitudau na'r crychdonnau gwreiddiol a achosir gan y pwls laser femtosecond cynradd. Yn ystod y broses HHG, mae pelydr laser pwerus, yn debyg i daflu cerrig yn barhaus, yn goleuo targed nwy, yn debyg i wyneb y llyn. Mae'r maes laser dwys hwn yn gyrru electronau yn y nwy, yn cyfateb i ripples, i ffwrdd o'u rhiant atomau ac yna'n eu tynnu yn ôl. Bob tro mae electron yn dychwelyd i'r atom, mae'n allyrru trawst laser newydd gydag amledd uwch, yn debyg i batrymau crychdonni mwy cymhleth.

Hidlo a chanolbwyntio:

Mae cyfuno'r holl drawstiau laser sydd newydd eu cynhyrchu yn cynhyrchu sbectrwm o liwiau amrywiol (amleddau neu donfeddi), y mae rhai ohonynt yn ffurfio'r laser attosecond. Er mwyn ynysu meintiau ac amleddau crychdonni penodol, gallwch ddefnyddio hidlydd arbenigol, yn debyg i ddewis y crychdonnau a ddymunir, a defnyddio chwyddwydr i'w canolbwyntio ar ardal benodol.

Cywasgiad Pwls (os oes angen):

Os ydych chi'n anelu at luosogi crychdonnau yn gyflymach ac yn fyrrach, gallwch gyflymu eu lluosogi 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, wrth gael ei ddadelfennu a'i ddelweddu, mae'n dod yn fwy dealladwy.