A szappanbuborékok lézerekké alakulnak – Fizika világa

A szappan már régóta a háztartás alapvető alapanyaga, de a szlovén tudósok most új felhasználási módot találtak neki a szappanbuborékok apró lézerekké alakításával. A Jožef Stefan Intézetben és a Ljubljanai Egyetemen dolgozva néhány milliméter átmérőjű szappanbuborékokat hoztak létre. Amikor ezeket összekeverték egy fluoreszcens festékkel, és egy impulzuslézerrel pumpálták, a buborékok lecsorogni kezdtek. A buborék által kibocsátott fény hullámhossza nagymértékben érzékeny a méretére, megnyitva az utat a buboréklézeres érzékelők számára, amelyek képesek érzékelni a nyomás vagy a környezeti elektromos mező apró változásait.

A lézerhez három kulcsfontosságú komponens szükséges: egy erősítő közeg, egy energiaforrás az erősítő közeg számára és egy optikai rezonátor. Az erősítő közeg felerősíti a fényt, ami azt jelenti, hogy minden fotonhoz, amely az erősítő közegbe kerül, egynél több foton jön ki. Ezt a jelenséget úgy lehet kihasználni, hogy az erősítő közeget egy rezonátorba helyezzük – például két tükör közé vagy egy hurok belsejébe – úgy, hogy az erősítőközeg által kibocsátott fotonok visszamennek rajta, hogy egy felerősített, koherens fénynyalábot hozzanak létre.

A szappanbuborékos lézerek pontosan ezt teszik. Hogy elkészítsem őket, Matjaž Humar és a Zala Korenjak standard szappanoldatot kevert fluoreszcens festékkel, amely erősítő közegként működik. A buborékok egy kapilláriscső végén képződnek, melyeket impulzuslézerrel megvilágítva pumpálják az erősítő közeget. Az erősítő közeg által keltett fény a buborék felületén kering, amely rezonátorként működik.

A buborék kibocsátásának jellemzésére a kutatók spektrométerrel mérték meg az általa termelt fény hullámhosszát. A kutatók csak azután látnak csúcsokat a buborék hullámhossz-spektrumában, amikor a rendszer eléri a szivattyúzási energia küszöbértékét – ez a lézerezés kulcsfontosságú jelzője.

A Szent Pál-székesegyháztól a szappanbuborék felszínéig

Egy gömbből rezonátort képezni önmagában nem újdonság. A gömbökben, gyűrűkben és toroidokban kialakult mikroüregek mindegyike felhasználásra talált az érzékelésben, és a londoni Szent Pál-székesegyház híres suttogó galériája után suttogó galéria üzemmódú rezonátorként ismertek. Ebben a nagy, kör alakú helyiségben két szemközt álló, a fal felé néző ember még suttogásra is hallja egymást a hanghullámok hatékony irányítása révén a szoba ívelt falain.

Hasonló módon Humar és Korenjak azt találta, hogy a fény a lézerükben lévő szappanbuborék felületén terjed, és fényes sávként jelenik meg a buborék héján. Ahogy a fény körbejárja a buborék felületét, interferál, és a rezonátor külön „módjait” hozza létre. Ezek a módok szabályosan elhelyezkedő csúcsok sorozataként jelennek meg a buborék hullámhossz-spektrumában.

Ne törd szét a buborékomat

„Sok mikrorezonátort használnak lézerüregként, beleértve a tömör gömbhéjakat is” – jegyzi meg Matjaž. "A szappanbuborékokat azonban mindeddig nem tanulmányozták optikai üregként."

Ennek részben az lehet az oka, hogy a szappanból készült buboréklézerek gyakorlatiassága korlátozott. Ahogy a víz elpárolog a buborék felületéről, a buborék vastagsága gyorsan változik, amíg ki nem pattan.

A kutatók gyakorlatiasabb megoldása az, hogy buborékokat készítenek szmektikus folyadékkristályokból. Ezek nem tartalmaznak vizet, és nagyon vékony, jellemzően 30-120 nanométer (nm) vastagságú buborékokat képezhetnek. Ezek a smectic buboréklézerek stabilabbak, és szinte korlátlan ideig képesek életben maradni. Ahogy Matjaž elmagyarázza, a vastagabb buborékok (például a szappan által létrehozott buborékok) sok módot engednek meg a rezonátorban, ami sok, esetleg átfedő csúcsot eredményez a hullámhossz-spektrumban. A vékonyabb (200 nm-nél kisebb) buborékok azonban csak egy üzemmódot tesznek lehetővé a rezonátorban. Ez az egymódusú művelet a lézerspektrumok egyenletes eloszlású csúcsaiban nyilvánul meg.

A kutatók kimutatták, hogy a buboréklézerek által kibocsátott hullámhossz a környezet megváltoztatásával hangolható. Pontosabban, a környezeti nyomások vagy elektromos mezők megváltoztatása megváltoztatta a buborék méretét, ami megváltoztatja a rezonátor méretét, és ezzel együtt a lézeremisszió hullámhosszát. Az általuk bemutatott mérések azt mutatják, hogy a szmektikus buboréklézerek érzékenyek akár 0.35 V/mm-es elektromos mezőkre és 0.024 Pa nyomásváltozásokra – olyan, mint egyes meglévő érzékelők.

A pár leírja munkájukat Fizikai áttekintés X.

• SEO által támogatott tartalom és PR terjesztés. Erősödjön még ma.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Erősítse meg magát. Hozzáférés itt.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Felerősített tudás. Hozzáférés itt.
• PlatoESG. Carbon, CleanTech, Energia, Környezet, Nap, Hulladékgazdálkodás. Hozzáférés itt.
• PlatoHealth. Biotechnológiai és klinikai vizsgálatok intelligencia. Hozzáférés itt.
• Forrás: https://physicsworld.com/a/soap-bubbles-transform-into-lasers/