בהכרזה משמעותית בערב ה-3 באוקטובר 2023, נחנך פרס נובל לפיזיקה לשנת 2023, המכיר בתרומותיהם יוצאות הדופן של שלושה מדענים שמילאו תפקידים מרכזיים כחלוצים בתחום טכנולוגיית הלייזר האטוסקונדית.

המונח "לייזר אטו-שניות" נגזר שמו מסולם הזמן הקצר להפליא בו הוא פועל, ספציפית בסדר גודל של אטו-שניות, המקבילות ל-10^-18 שניות. כדי להבין את המשמעות העמוקה של טכנולוגיה זו, הבנה בסיסית של מהותה של אטו-שנייה היא קריטית. אטו-שנייה היא יחידת זמן דקה ביותר, המהווה מיליארדית מיליארדית השנייה בהקשר הרחב יותר של שנייה בודדת. כדי לשים זאת בפרספקטיבה, אם היינו משווים שנייה להר מתנשא, אטו-שנייה תהיה דומה לגרגר חול בודד השוכן למרגלות ההר. בטווח זמני חולף זה, אפילו אור בקושי יכול לעבור מרחק השווה לגודלו של אטום בודד. באמצעות שימוש בלייזרי אטו-שניות, מדענים משיגים את היכולת חסרת התקדים לבחון ולתפעל את הדינמיקה המורכבת של אלקטרונים בתוך מבנים אטומיים, בדומה לשידור חוזר בהילוך איטי פריים אחר פריים ברצף קולנועי, ובכך להתעמק במשחק ההדדי ביניהם.

לייזרים אטו-שנייםמייצגים את שיאו של מחקר נרחב ומאמצים מרוכזים של מדענים, אשר רתמו את עקרונות האופטיקה הלא לינארית כדי ליצור לייזרים אולטרה-מהירים. הופעתם סיפקה לנו נקודת תצפית חדשנית לתצפית ולחקירה של התהליכים הדינמיים המתרחשים בתוך אטומים, מולקולות ואפילו אלקטרונים בחומרים מוצקים.

כדי להבהיר את טבעם של לייזרי אטו-שניות ולהעריך את תכונותיהם הלא קונבנציונליות בהשוואה ללייזרים קונבנציונליים, חיוני לבחון את סיווגם בתוך "משפחת הלייזרים" הרחבה יותר. סיווג לפי אורך גל ממקם את לייזרי אטו-שניות בעיקר בטווח התדרים של קרינה אולטרה סגולה ועד קרני רנטגן רכות, דבר המסמל את אורכי הגל הקצרים יותר שלהם בניגוד ללייזרים קונבנציונליים. מבחינת מצבי פלט, לייזרי אטו-שניות נופלים תחת הקטגוריה של לייזרים פולסים, המאופיינים במשך הפולס הקצר ביותר שלהם. כדי ליצור אנלוגיה לשם הבהירות, ניתן לדמיין לייזרי גל רציף כדומים לפנס הפולט קרן אור רציפה, בעוד שלייזרים פולסים דומים לאור מהבהב, המתחלף במהירות בין תקופות של תאורה וחושך. במהות, לייזרי אטו-שניות מציגים התנהגות פועמת בתוך התאורה והחושך, אך המעבר שלהם בין שני המצבים מתרחש בתדירות מדהימה, ומגיע לתחום האטוסקונדס.

חלוקה נוספת לפי עוצמה ממקמת לייזרים לקטגוריות של עוצמה נמוכה, עוצמה בינונית ועוצמה גבוהה. לייזרים אטו-שניות משיגים עוצמת שיא גבוהה הודות למשך הפולסים הקצר ביותר שלהם, וכתוצאה מכך עוצמת שיא בולטת (P) - המוגדרת כעוצמת האנרגיה ליחידת זמן (P=W/t). למרות שייתכן שפולסי לייזר אטו-שניות בודדים אינם בעלי אנרגיה גדולה במיוחד (W), היקפם הזמני המקוצר (t) מקנה להם עוצמת שיא מוגברת.

מבחינת תחומי יישומים, לייזרים משתרעים על פני ספקטרום הכולל יישומים תעשייתיים, רפואיים ומדעיים. לייזרים אטו-שניים מוצאים את הנישה שלהם בעיקר בתחום המחקר המדעי, במיוחד בחקר תופעות המתפתחות במהירות בתחומי הפיזיקה והכימיה, ומציעים הצצה לתהליכים הדינמיים המהירים של העולם המיקרוקוסמי.

סיווג לפי מדיום לייזר מגדיר לייזרים כלייזרי גז, לייזרים במצב מוצק, לייזרים נוזליים ולייזרי מוליכים למחצה. יצירת לייזרים אטו-שניים תלויה בדרך כלל במדיה של לייזר גז, תוך ניצול אפקטים אופטיים לא ליניאריים כדי ליצור הרמוניות מסדר גבוה.

לסיכום, לייזרי אטו-שניות מהווים סוג ייחודי של לייזרים בעלי פולסים קצרים, המאופיינים במשך פולסים קצרים במיוחד, הנמדדים בדרך כלל באטו-שניות. כתוצאה מכך, הם הפכו לכלי חיוני לתצפית ובקרה על תהליכים דינמיים אולטרה-מהירים של אלקטרונים בתוך אטומים, מולקולות וחומרים מוצקים.

התהליך המורכב של יצירת לייזר אטו-שניות

טכנולוגיית לייזר אטו-שניות ניצבת בחזית החדשנות המדעית, ומתגאה בסט תנאים מחמיר להפליא לייצורה. כדי להבהיר את המורכבויות של יצירת לייזר אטו-שניות, נתחיל בהצגה תמציתית של עקרונותיה הבסיסיים, ולאחר מכן במטאפורות חיות הנגזרות מחוויות יומיומיות. קוראים שאינם בקיאים במורכבויות הפיזיקה הרלוונטית אינם צריכים להתייאש, שכן המטאפורות הבאות נועדו להנגיש את הפיזיקה הבסיסית של לייזרי אטו-שניות.

תהליך יצירת לייזרי אטו-שניות מסתמך בעיקר על טכניקה המכונה יצירת הרמוניות גבוהה (HHG). ראשית, קרן של פולסי לייזר פמטו-שניות בעוצמה גבוהה (10^-15 שניות) ממוקדת היטב על חומר מטרה גזי. ראוי לציין כי לייזרי פמטו-שניות, בדומה ללייזרי אטו-שניות, חולקים את המאפיינים של משך פולסים קצר ועוצמת שיא גבוהה. תחת השפעת שדה הלייזר העז, אלקטרונים בתוך אטומי הגז משתחררים לרגע מגרעיני האטום שלהם, ונכנסים למצב של אלקטרונים חופשיים. כאשר אלקטרונים אלה מתנדנדים בתגובה לשדה הלייזר, הם בסופו של דבר חוזרים ומתאחדים מחדש עם גרעיני האטום המקוריים שלהם, ויוצרים מצבים חדשים בעלי אנרגיה גבוהה.

במהלך תהליך זה, אלקטרונים נעים במהירויות גבוהות ביותר, ועם רקומבינציה עם גרעיני האטום, הם משחררים אנרגיה נוספת בצורה של פליטות הרמוניות גבוהות, המתבטאות כפוטונים בעלי אנרגיה גבוהה.

התדרים של פוטונים חדשים אלה בעלי אנרגיה גבוהה הם כפולות שלמות של תדר הלייזר המקורי, ויוצרים את מה שמכונה הרמוניות מסדר גבוה, כאשר "הרמוניות" מציינות תדרים שהם כפולות שלמות של התדר המקורי. כדי להשיג לייזרים אטו-שניות, יש צורך לסנן ולמקד את ההרמוניות מסדר גבוה הללו, לבחור הרמוניות ספציפיות ולרכז אותן בנקודת מוקד. במידת הצורך, טכניקות דחיסת פולסים יכולות לקצר עוד יותר את משך הפולס, וליצור פולסים קצרים במיוחד בטווח האטו-שניות. ברור כי יצירת לייזרים אטו-שניות מהווה תהליך מתוחכם ורב-גוני, הדורש רמה גבוהה של מיומנות טכנית וציוד מיוחד.

כדי להבהיר את התהליך המורכב הזה, אנו מציעים הקבלה מטאפורית המבוססת על תרחישים יומיומיים:

פולסי לייזר פמטו-שניות בעוצמה גבוהה:

דמיינו ברשותכם מעוט חזק במיוחד המסוגל להשליך אבנים באופן מיידי במהירויות אדירות, בדומה לתפקיד שממלאים פולסי לייזר פמטו-שנייה בעוצמה גבוהה.

חומר מטרה גזי:

דמיינו גוף מים שקט המסמל את חומר המטרה הגזי, שבו כל טיפת מים מייצגת אינספור אטומי גז. פעולת הנעת האבנים לתוך גוף המים הזה משקפת באופן אנלוגי את השפעת פולסי לייזר פמטו-שנייה בעוצמה גבוהה על חומר המטרה הגזי.

תנועת אלקטרונים ורקומבינציה (המכונה פיזיקלית מעבר):

כאשר פולסי לייזר פמטו-שנייה פוגעים באטומי הגז בתוך חומר המטרה הגזי, מספר משמעותי של אלקטרונים חיצוניים מעוררים לרגע למצב בו הם מתנתקים מגרעיני האטום שלהם, ויוצרים מצב דמוי פלזמה. ככל שהאנרגיה של המערכת פוחתת (מכיוון שפולסי הלייזר הם מטבעם פעומים, עם מרווחי הפסקה), אלקטרונים חיצוניים אלה חוזרים לסביבתם של גרעיני האטום, ומשחררים פוטונים בעלי אנרגיה גבוהה.

יצירת הרמוניות גבוהות:

דמיינו שבכל פעם שטיפת מים נופלת חזרה אל פני האגם, היא יוצרת אדוות, בדומה להרמוניות גבוהות בלייזרים אטו-שניים. לאדוות אלו יש תדרים ואמפליטודות גבוהות יותר מאשר האדוות המקוריות הנגרמות על ידי פעימת הלייזר הפמטו-שנייה הראשונית. במהלך תהליך ה-HHG, קרן לייזר עוצמתית, בדומה לזריקת אבנים רציפה, מאירה מטרה בגז, הדומה לפני השטח של האגם. שדה לייזר עוצמתי זה דוחף אלקטרונים בגז, בדומה לאדוות, הרחק מאטומי האם שלהם ואז מושך אותם בחזרה. בכל פעם שאלקטרון חוזר לאטום, הוא פולט קרן לייזר חדשה בתדר גבוה יותר, בדומה לדפוסי אדוות מורכבים יותר.

סינון ומיקוד:

שילוב כל קרני הלייזר החדשות הללו מניב ספקטרום של צבעים שונים (תדרים או אורכי גל), שחלקם מהווים את לייזר האטוסקונדה. כדי לבודד גדלי אדוות ותדרים ספציפיים, ניתן להשתמש במסנן מיוחד, בדומה לבחירת אדוות רצויות, ולהשתמש בזכוכית מגדלת כדי למקד אותן על אזור מסוים.

דחיסת דופק (במידת הצורך):

אם אתם שואפים להפיץ אדוות מהר יותר וקצרות יותר, תוכלו להאיץ את התפשטותן באמצעות מכשיר מיוחד, ובכך להפחית את משך הזמן שכל אדוות נמשכת. יצירת לייזרים אטו-שניות כרוכה במשחק גומלין מורכב של תהליכים. עם זאת, כאשר היא מפורטת ומוצגת בצורה ויזואלית, היא הופכת למובנה יותר.