Seifenblasen verwandeln sich in Laser – Physics World

Seife gehört seit langem zu den Grundnahrungsmitteln im Haushalt, doch Wissenschaftler in Slowenien haben nun eine neue Verwendung dafür gefunden, indem sie Seifenblasen in winzige Laser verwandelten. Sie arbeiteten am Jožef-Stefan-Institut und an der Universität Ljubljana und begannen damit, Seifenblasen mit einem Durchmesser von einigen Millimetern zu erzeugen. Als sie diese mit einem fluoreszierenden Farbstoff vermischten und mit einem gepulsten Laser pumpten, begannen die Blasen zu lasern. Die Wellenlängen des Lichts, das die Blase aussendet, reagieren stark auf ihre Größe und ebnen den Weg für Blasenlasersensoren, die winzige Änderungen im Druck oder im elektrischen Feld der Umgebung erkennen können.

Ein Laser erfordert drei Schlüsselkomponenten: ein Verstärkungsmedium, eine Energiequelle für das Verstärkungsmedium und einen optischen Resonator. Das Verstärkungsmedium verstärkt das Licht, was bedeutet, dass für jedes Photon, das in das Verstärkungsmedium gelangt, mehr als ein Photon herauskommt. Dieses Phänomen kann ausgenutzt werden, indem das Verstärkungsmedium in einem Resonator platziert wird – beispielsweise zwischen zwei Spiegeln oder innerhalb einer Schleife –, sodass die vom Verstärkungsmedium emittierten Photonen durch das Verstärkungsmedium zurückgehen und einen verstärkten, kohärenten Lichtstrahl erzeugen.

Genau das tun die Seifenblasenlaser. Sie dazu bringen, Matjaž Humar und Zala Korenjak mischten Standardseifenlösung mit fluoreszierendem Farbstoff, der als Verstärkungsmedium fungiert. Die Blasen bilden sich am Ende eines Kapillarröhrchens und durch die Beleuchtung mit einem gepulsten Laser wird das Verstärkungsmedium gepumpt. Das vom Verstärkungsmedium erzeugte Licht zirkuliert entlang der Oberfläche der Blase, die als Resonator fungiert.

Um die Leistung der Blase zu charakterisieren, verwendeten die Forscher ein Spektrometer, um die Wellenlängen des von ihr erzeugten Lichts zu messen. Erst wenn das System einen Schwellenwert für die Pumpenergie erreicht, sehen die Forscher Spitzen im Wellenlängenspektrum der Blase – ein Schlüsselindikator für Laserwirkung.

Von der St. Paul's Cathedral bis zur Oberfläche einer Seifenblase

Die Formung eines Resonators aus einer Kugel ist an sich nicht neu. In Kugeln, Ringen und Toroiden gebildete Mikrohohlräume haben alle in der Sensorik Verwendung gefunden und werden nach der berühmten Flüstergalerie in der St. Paul's Cathedral in London als Flüstergalerie-Resonatoren bezeichnet. In diesem großen, runden Raum können sich zwei Personen, die auf gegenüberliegenden Seiten mit dem Gesicht zur Wand stehen, dank der effizienten Führung der Schallwellen entlang der geschwungenen Wände des Raums selbst beim Flüstern gegenseitig hören.

Auf ähnliche Weise fanden Humar und Korenjak heraus, dass sich Licht in ihrem Laser entlang der Oberfläche der Seifenblase ausbreitet und als helles Band auf der Hülle der Blase erscheint. Während sich das Licht um die Oberfläche der Blase bewegt, interferiert es und erzeugt unterschiedliche „Moden“ des Resonators. Diese Moden erscheinen als eine Reihe regelmäßig beabstandeter Peaks im Wellenlängenspektrum der Blase.

Lass meine Blase nicht platzen

„Es gibt viele Mikroresonatoren, die als Laserkavitäten verwendet werden, darunter auch massive Kugelschalen“, bemerkt Matjaž. „Seifenblasen wurden jedoch bisher nicht als optische Hohlräume untersucht.“

Dies kann zum Teil daran liegen, dass Blasenlaser aus Seife nur begrenzt praktikabel sind. Wenn Wasser von der Oberfläche der Blase verdunstet, ändert sich die Dicke der Blase schnell, bis sie platzt.

Eine praktischere Lösung, die die Forscher verfolgten, besteht darin, Blasen aus smektischen Flüssigkristallen herzustellen. Diese enthalten kein Wasser und können sehr dünne Blasen bilden, die typischerweise etwa 30–120 Nanometer (nm) dick sind. Diese smektischen Blasenlaser sind stabiler und können nahezu unbegrenzt überleben. Wie Matjaž erklärt, ermöglichen dickere Blasen (wie sie beispielsweise durch Seife entstehen) viele Moden im Resonator, was zu vielen, möglicherweise überlappenden Peaks im Wellenlängenspektrum führt. Dünnere Blasen (weniger als 200 nm) lassen jedoch nur eine Mode im Resonator zu. Dieser Single-Mode-Betrieb äußert sich in gleichmäßig verteilten Peaks in den Laserspektren.

Die Forscher zeigten, dass die Wellenlänge, die die Blasenlaser emittieren, durch Veränderung ihrer Umgebung angepasst werden kann. Insbesondere veränderte eine Änderung des Umgebungsdrucks oder der elektrischen Felder die Größe der Blase, wodurch sich die Größe des Resonators und damit auch die Wellenlänge der Laseremission änderte. Die von ihnen vorgelegten Messungen zeigen, dass die smektischen Blasenlaser auf elektrische Felder von nur 0.35 V/mm und Druckänderungen von 0.024 Pa empfindlich sind – gleichwertig oder besser als einige bestehende Sensoren.

Das Paar beschreibt seine Arbeit in Körperliche Überprüfung X..

• SEO-gestützte Content- und PR-Distribution. Holen Sie sich noch heute Verstärkung.
• PlatoData.Network Vertikale generative KI. Motiviere dich selbst. Hier zugreifen.
• PlatoAiStream. Web3-Intelligenz. Wissen verstärkt. Hier zugreifen.
• PlatoESG. Kohlenstoff, CleanTech, Energie, Umwelt, Solar, Abfallwirtschaft. Hier zugreifen.
• PlatoHealth. Informationen zu Biotechnologie und klinischen Studien. Hier zugreifen.
• Quelle: https://physicsworld.com/a/soap-bubbles-transform-into-lasers/