Såpebobler forvandles til lasere – Physics World

Såpe har lenge vært en stift i husholdningen, men forskere i Slovenia har nå funnet en ny bruk for den ved å forvandle såpebobler til bittesmå lasere. Ved å jobbe ved Jožef Stefan-instituttet og universitetet i Ljubljana begynte de med å lage såpebobler på noen få millimeter i diameter. Da de blandet disse med et fluorescerende fargestoff og pumpet dem med en pulserende laser, begynte boblene å smelte. Bølgelengdene av lys boblen sender ut er svært responsive på størrelsen, og baner vei for boblelasersensorer som kan oppdage små endringer i trykk eller omgivelseselektrisk felt.

En laser krever tre nøkkelkomponenter: et forsterkningsmedium, en energikilde for forsterkningsmediet og en optisk resonator. Forsterkningsmediet forsterker lyset, noe som betyr at for hvert foton som går inn i forsterkningsmediet, kommer mer enn ett foton ut. Dette fenomenet kan utnyttes ved å plassere forsterkningsmediet i en resonator - for eksempel mellom to speil eller inne i en sløyfe - slik at fotonene som sendes ut av forsterkningsmediet går tilbake gjennom det for å skape en forsterket, koherent lysstråle.

Såpeboblelaserne gjør akkurat det. For å lage dem, Matjaž Humar og Zala Korenjak blandet standard såpeløsning med fluorescerende fargestoff, som fungerer som forsterkningsmedium. Boblene dannes i enden av et kapillærrør, og ved å belyse dem med en pulserende laser pumpes forsterkningsmediet. Lyset forsterkningsmediet produserer sirkulerer langs overflaten av boblen, som fungerer som en resonator.

For å karakterisere boblens utgang brukte forskerne et spektrometer for å måle bølgelengdene til lyset den produserer. Først etter at systemet når en terskel for pumpeenergi, ser forskerne topper i boblens bølgelengdespekter – en nøkkelmarkør for lasering.

Fra St. Paul's Cathedral til overflaten av en såpeboble

Å danne en resonator ut av en sfære er ikke i seg selv nytt. Mikrohulrom dannet i kuler, ringer og toroider har alle funnet bruk i sansing, og er kjent som hviskegallerimodusresonatorer etter det berømte hviskegalleriet ved St. Paul's Cathedral i London. Innenfor dette store, sirkulære rommet kan to personer som står vendt mot veggen på hver sin side høre hverandre selv ved en hvisking takket være effektiv føring av lydbølger langs rommets buede vegger.

På omtrent samme måte fant Humar og Korenjak at lys forplanter seg langs overflaten av såpeboblen i laseren deres, og fremstår som et lyst bånd på boblens skall. Når lyset beveger seg rundt overflaten av boblen, forstyrrer det, og skaper distinkte "moduser" for resonatoren. Disse modusene viser seg som en serie med jevnt fordelte topper i bølgelengdespekteret til boblen.

Ikke spreng boblen min

"Det er mange mikroresonatorer som brukes som laserhulrom, inkludert solide sfæriske skall," bemerker Matjaž. "Såpebobler har imidlertid ikke blitt studert som optiske hulrom før nå."

Dette kan delvis skyldes at boblelasere laget av såpe har begrenset funksjonalitet. Når vann fordamper fra overflaten av boblen, endres boblens tykkelse raskt til den spretter.

En mer praktisk løsning forskerne forfulgte er å lage bobler av smektiske flytende krystaller. Disse inneholder ikke vann og kan danne svært tynne bobler, typisk rundt 30-120 nanometer (nm) tykke. Disse smektiske boblelaserne er mer stabile og kan overleve nesten på ubestemt tid. Som Matjaž forklarer, tillater tykkere bobler (som de som skapes av såpe), mange moduser i resonatoren, noe som resulterer i mange, muligens overlappende topper i bølgelengdespekteret. Tynnere bobler (mindre enn 200 nm) tillater imidlertid bare én modus i resonatoren. Denne enkeltmodusoperasjonen manifesterer seg som jevnt fordelte topper i laserspektrene.

Forskerne demonstrerte at bølgelengden boblelaserne sendte ut kunne justeres ved å endre miljøet. Spesifikt endret omgivelsestrykket eller de elektriske feltene størrelsen på boblen, noe som endrer størrelsen på resonatoren og, i sin tur, bølgelengden til laseremisjonen. Målingene de presenterer viser at de smektiske boblelaserne er følsomme for elektriske felt så små som 0.35V/mm og trykkendringer på 0.024 Pa – på nivå med eller bedre enn noen eksisterende sensorer.

Paret beskriver arbeidet sitt i Fysisk gjennomgang X.

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk deg selv. Tilgang her.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• PlatoESG. Karbon, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Avfallshåndtering. Tilgang her.
• PlatoHelse. Bioteknologisk og klinisk etterretning. Tilgang her.
• kilde: https://physicsworld.com/a/soap-bubbles-transform-into-lasers/