Мыльные пузыри превращаются в лазеры

Мыло уже давно стало основным продуктом домашнего обихода, но ученые в Словении нашли ему новое применение, превратив мыльные пузыри в крошечные лазеры. Работая в Институте Йожефа Стефана и Люблянском университете, они начали с создания мыльных пузырей диаметром в несколько миллиметров. Когда они смешали их с флуоресцентным красителем и накачали импульсным лазером, пузырьки начали излучать. Длины волн света, излучаемые пузырьком, очень чувствительны к его размеру, что открывает путь для датчиков пузырькового лазера, которые могут обнаруживать малейшие изменения давления или окружающего электрического поля.

Для лазера требуются три ключевых компонента: усиливающая среда, источник энергии для усиливающей среды и оптический резонатор. Усиливающая среда усиливает свет, а это означает, что на каждый фотон, попадающий в усиливающую среду, выходит более одного фотона. Это явление можно использовать, поместив усиливающую среду в резонатор – например, между двумя зеркалами или внутри петли – так, чтобы фотоны, испускаемые усиливающей средой, проходили через него обратно, создавая усиленный когерентный луч света.

Лазеры на мыльных пузырях делают именно это. Чтобы сделать их, Матяж Хумар и Зала Кореняк смешали стандартный мыльный раствор с флуоресцентным красителем, который действует как усиливающая среда. Пузырьки образуются на конце капиллярной трубки, и, освещая их импульсным лазером, накачивается усиливающая среда. Свет, излучаемый усиливающей средой, циркулирует по поверхности пузырька, который действует как резонатор.

Чтобы охарактеризовать выходную мощность пузыря, исследователи использовали спектрометр для измерения длин волн излучаемого им света. Только после того, как система достигает пороговой энергии накачки, исследователи видят пики в спектре длин волн пузырька – ключевой маркер генерации.

От собора Святого Павла до поверхности мыльного пузыря

Формирование резонатора из сферы само по себе не является чем-то новым. Микрополости, сформированные в сферах, кольцах и тороидах, нашли применение в датчиках и известны как резонаторы режима шепчущей галереи в честь знаменитой шепчущей галереи в соборе Святого Павла в Лондоне. В этой большой круглой комнате два человека, стоящие лицом к стене на противоположных сторонах, могут слышать друг друга даже на шепоте благодаря эффективному направлению звуковых волн вдоль изогнутых стен комнаты.

Примерно таким же образом Хумар и Кореняк обнаружили, что свет распространяется вдоль поверхности мыльного пузыря в их лазере и проявляется в виде яркой полосы на оболочке пузыря. Когда свет проходит по поверхности пузыря, он интерферирует, создавая различные «режимы» резонатора. Эти моды проявляются как серия регулярно расположенных пиков в спектре длин волн пузырька.

Не лопни мой пузырь

«В качестве лазерных резонаторов используется множество микрорезонаторов, в том числе сплошные сферические оболочки», — отмечает Матяж. «Однако мыльные пузыри до сих пор не изучались как оптические полости».

Частично это может быть связано с тем, что пузырьковые лазеры из мыла имеют ограниченную практичность. Когда вода испаряется с поверхности пузыря, толщина пузыря быстро меняется, пока он не лопнет.

Более практичное решение, которое предложили исследователи, — создать пузырьки из смектических жидких кристаллов. Они не содержат воды и могут образовывать очень тонкие пузырьки, обычно толщиной около 30–120 нанометров (нм). Эти смектические пузырьковые лазеры более стабильны и могут существовать практически бесконечно. Как объясняет Матяж, более толстые пузырьки (например, созданные мылом) допускают в резонаторе множество мод, что приводит к множеству, возможно, перекрывающихся пиков в спектре длин волн. Однако более тонкие пузырьки (менее 200 нм) допускают в резонаторе только одну моду. Этот одномодовый режим проявляется в виде равномерно распределенных пиков в спектрах генерации.

Исследователи продемонстрировали, что длину волны, излучаемую пузырьковыми лазерами, можно регулировать, изменяя окружающую среду. В частности, изменение давления окружающей среды или электрических полей изменило размер пузыря, что изменило размер резонатора и, в свою очередь, длину волны лазерного излучения. Представленные ими измерения показывают, что смектические пузырьковые лазеры чувствительны к электрическим полям величиной всего 0.35 В/мм и изменениям давления в 0.024 Па – на одном уровне или даже лучше, чем некоторые существующие датчики.

Пара описывает свою работу в Физический обзор X.

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• PlatoData.Network Вертикальный генеративный ИИ. Расширьте возможности себя. Доступ здесь.
• ПлатонАйСтрим. Интеллект Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• ПлатонЭСГ. Углерод, чистые технологии, Энергия, Окружающая среда, Солнечная, Управление отходами. Доступ здесь.
• ПлатонЗдоровье. Биотехнологии и клинические исследования. Доступ здесь.
• Источник: https://physicsworld.com/a/soap-bubbles-transform-into-lasers/