Vejledning af den tilfældige laser

På sit mest grundlæggende niveau, en tilfældig laser er præcis, hvad dens navn antyder; tilfældig. Det er tilfældigt i lysspektret, det producerer, og i den måde, lyset udsendes, laver, hvad der kunne være en ekstremt alsidig laserkilde, næsten ubrugelig til de fleste praktiske anvendelser.

Så, hvordan kontrollerer du noget af tilfældighederne for at lave nyttige enheder? Det er et spørgsmål, der har ført et team af forskere ved University of New Mexico til en opdagelse, der tager laserteknologi til næste niveau.

"Det har været utroligt at se, hvordan dette projekt er forløbet, " sagde Behnam Abaie, en ph.d. studerende ved UNM's Center for Højteknologiske Materialer (CHTM). "Da jeg først kom til at arbejde med professor [Arash] Mafi, Jeg vidste, at dette projekt havde potentialet til at blive meget succesfuldt, men jeg havde aldrig forventet dette."

Abaie er den første forfatter på papiret, 'Tilfældig lasering i en Anderson lokaliserende optisk fiber', for nylig offentliggjort i Nature's Light:Science &Applications. Artiklen giver en teknisk analyse af, hvordan forskerholdet, ledet af CHTM midlertidig direktør Arash Mafi, er i stand til pålideligt at kontrollere disse ekstremt kraftfulde, men tidligere ukontrollerbar, lasere.

"Vores succes med at være i stand til at kontrollere disse tilfældige lasere adresserer årtier gamle problemer, der har forhindret disse lasere i at blive almindelige enheder, " sagde Mafi, som også er lektor i UNM's Afd. for Fysik &Astronomi. "Det er et meget spændende bidrag."

Traditionelle lasere består af tre hovedkomponenter:en energikilde, opnå medium og optisk hulrum. Energikilden leveres gennem en proces kaldet 'pumpning' og kan tilføres gennem en elektrisk strøm eller en anden lyskilde. Den energi passerer så gennem forstærkningsmediet, som indeholder egenskaber, der forstærker lyset. Det optiske hulrum - et par spejle på hver side af forstærkningsmediet - hopper lyset frem og tilbage gennem mediet, forstærker det hver gang. Resultatet er en rettet, intens lysstråle kaldet laser.

Tilfældige lasere, til sammenligning, udføre ved hjælp af en pumpe, et stærkt uordnet forstærkningsmedium, men ingen optisk kavitet. De er ekstremt nyttige på grund af deres enkelhed og brede spektrale funktioner, hvilket betyder, at en enkelt tilfældig laser kan producere en lysstråle, der indeholder flere spektre, en meget gavnlig egenskab til visse applikationer som biomedicinsk billeddannelse. Imidlertid, på grund af deres natur, tilfældige lasere er vanskelige at kontrollere pålideligt på grund af deres multi-direktionelle output og kaotiske udsving.

UNM-holdet, i samarbejde med forskere ved Clemson University og University of California San Diego, har været i stand til at overvinde disse forhindringer på en effektiv måde - en sejr, de håber vil fortsætte med at skubbe brugen af ​​tilfældige lasere fremad.

"Vores enhed har alle de gode kvaliteter som en tilfældig laser, plus spektral stabilitet, og det er meget retningsbestemt, " sagde Mafi. "Det er en vidunderlig udvikling."

Forskere er i stand til at opnå disse resultater gennem fremstilling og brug af en unik glas Anderson lokaliserende optisk fiber. Fiberen er lavet af en 'satin quartz', et ekstremt porøst håndværkerglas, der typisk kun bruges til at kalibrere det maskineri, der trækker fiberoptik. Når den trækkes i lange stænger, det porøse materiale danner snesevis af mikroskopiske luftkanaler i hver fiber.

"Det glas, vi bruger til disse fiberoptik, er faktisk materiale, som vi typisk ville smide væk, fordi det er meget porøst, " sagde Abaie. "Men, det er de huller i glasset, der faktisk skaber de kanaler, der styrer laseren."

Når den er fyldt med et forstærkningsmedium og pumpet ved hjælp af en enkeltfarvet grøn laser, den tilfældige laser bliver mindre tilfældig og meget kontrollerbar, takket være et fænomen kendt som Anderson Localization.

"Der er stadig meget at lære om Anderson Localization, men det er spændende for os at være en del af denne udvikling, " sagde Mafi. "For faktisk at kunne lave enheder, der udnytter dette fænomen, det tager videnskaben til endnu et niveau."

Mafi og hans forskerhold er nogle af de førende eksperter i Anderson Localization. I 2014 de udgav en artikel om en anden enhed, der var i stand til at transmittere billeder ved hjælp af fænomenet. Denne forskning blev kåret som en af ​​Physics World's Top Ti gennembrud af året.

Bevæger sig fremad, Mafi siger, at de håber at udvide spektret af denne nye enhed og gøre den mere effektiv, skabe en bredspektret belysningskilde, der kan bruges over hele verden.