Baloanele de săpun se transformă în lasere – Physics World

Baloanele de săpun se transformă în lasere – Physics World

Marca temporală: 15 martie 2024 10:00 AM


Fotografie cu un balon de săpun la capătul unui tub capilar, scăldat în lumină laser verde gălbuie
Bule strălucitoare: un balon de săpun care se întinde pe capătul unui tub capilar. (Cu amabilitatea: Matjaž Humar și Zala Korenjak/Institutul Jožef Stefan)

Săpunul a fost de mult un produs de bază în gospodărie, dar oamenii de știință din Slovenia i-au găsit acum o nouă utilizare transformând bulele de săpun în lasere minuscule. Lucrând la Institutul Jožef Stefan și la Universitatea din Ljubljana, au început prin a crea bule de săpun de câțiva milimetri în diametru. Când le-au amestecat cu un colorant fluorescent și le-au pompat cu un laser pulsat, bulele au început să facă lase. Lungimile de undă ale luminii pe care o emite bula răspund foarte mult la dimensiunea sa, deschizând calea pentru senzori cu laser cu bule care pot detecta mici modificări ale presiunii sau ale câmpului electric ambiental.

Un laser necesită trei componente cheie: un mediu de câștig, o sursă de energie pentru mediul de câștig și un rezonator optic. Mediul de câștig amplifică lumina, ceea ce înseamnă că pentru fiecare foton care intră în mediul de câștig, iese mai mult de un foton. Acest fenomen poate fi exploatat prin plasarea mediului de câștig într-un rezonator – de exemplu, între două oglinzi sau în interiorul unei bucle – astfel încât fotonii emiși de mediul de câștig să treacă înapoi prin acesta pentru a crea un fascicul de lumină amplificat, coerent.

Laserele cu bule de săpun fac exact asta. Pentru a le face, Matjaž Humar și Zala Korenjak a amestecat soluția standard de săpun cu colorant fluorescent, care acționează ca mediu de câștig. Bulele se formează la capătul unui tub capilar, iar iluminarea lor cu un laser pulsat pompează mediul de câștig. Lumina pe care o produce mediul de câștig circulă de-a lungul suprafeței bulei, care acționează ca un rezonator.

Pentru a caracteriza ieșirea bulei, cercetătorii au folosit un spectrometru pentru a măsura lungimile de undă ale luminii pe care o produce. Abia după ce sistemul atinge un prag de pompare a energiei, cercetătorii văd vârfuri în spectrul lungimii de undă al bulei - un marker cheie al laserului.

De la Catedrala Sf. Paul până la suprafața unui balon de săpun

Formarea unui rezonator dintr-o sferă nu este, în sine, nouă. Micro-cavitățile formate în sfere, inele și toroidi și-au găsit toate utilizări în detecție și sunt cunoscute ca rezonatoare în modul galerie șoaptă după faimoasa galerie de șoaptă de la Catedrala Sf. Paul din Londra. În această încăpere mare, circulară, două persoane care stau cu fața la perete pe părți opuse se pot auzi chiar și în șoaptă datorită ghidării eficiente a undelor sonore de-a lungul pereților curbați ai camerei.

Fotografie care arată un laser cu bule cu un inel de lumină verde strălucitoare în jurul centrului
Moduri de galerie șoaptă: lumina laser se propagă de-a lungul suprafeței unui balon de săpun în același mod în care sunetul se deplasează în jurul pereților faimoasei „galerii șoapte” din Catedrala St Paul, Londra. (Cu amabilitatea: Matjaž Humar și Zala Korenjak/Institutul Jožef Stefan)

În același mod, Humar și Korenjak au descoperit că lumina se propagă de-a lungul suprafeței bulei de săpun în laserul lor și apare ca o bandă strălucitoare pe coaja bulei. Pe măsură ce lumina călătorește pe suprafața bulei, ea interferează, creând „moduri” distincte ale rezonatorului. Aceste moduri apar ca o serie de vârfuri distanțate în mod regulat în spectrul lungimii de undă al bulei.

Imaginea unui laser cu bule smectice suprapuse unui spectru de emisii de lumină arătând vârfuri distanțate regulat
Spectrul dintr-o bulă: un laser cu bule smectice emite lungimi de undă de lumină distanțate în mod regulat. (Cu amabilitatea: Matjaž Humar și Zala Korenjak/Institutul Jožef Stefan)

Nu-mi sparge bula

„Există multe micro-rezonatoare folosite ca cavități laser, inclusiv carcase sferice solide”, notează Matjaž. „Totuși, baloanele de săpun nu au fost studiate ca cavități optice până acum.”

Acest lucru se poate datora parțial pentru că laserele cu bule făcute din săpun au caracter practic limitat. Pe măsură ce apa se evaporă de pe suprafața bulei, grosimea bulei se schimbă rapid până când se claște.

O soluție mai practică pe care au urmărit-o cercetătorii este de a face bule din cristale lichide smectice. Acestea nu conțin apă și pot forma bule foarte subțiri, de obicei de aproximativ 30-120 nanometri (nm) grosime. Aceste lasere cu bule smectice sunt mai stabile și pot supraviețui aproape la nesfârșit. După cum explică Matjaž, bulele mai groase (cum ar fi cele create de săpun), permit mai multe moduri în rezonator, rezultând multe vârfuri, posibil suprapuse, în spectrul lungimii de undă. Bulele mai subțiri (mai puțin de 200 nm), totuși, permit un singur mod în rezonator. Această operație cu un singur mod se manifestă ca vârfuri distribuite uniform în spectrele laserului.

Cercetătorii au demonstrat că lungimea de undă emisă de laserele cu bule poate fi reglată prin modificarea mediului lor. Mai exact, modificarea presiunilor ambientale sau a câmpurilor electrice a modificat dimensiunea bulei, ceea ce modifică dimensiunea rezonatorului și, la rândul său, lungimea de undă a emisiei laser. Măsurătorile pe care le prezintă arată că laserele cu bule smectice sunt sensibile la câmpuri electrice de până la 0.35 V/mm și modificări de presiune de 0.024 Pa – la egalitate sau mai bună decât unii senzori existenți.

Perechea își descrie munca în Revizuirea fizică X.

Timestamp-ul:

Mai mult de la Lumea fizicii