Milni mehurčki se spremenijo v laserje – svet fizike

Milo je že dolgo stalnica v gospodinjstvu, vendar so mu znanstveniki v Sloveniji zdaj našli novo uporabo, tako da so milne mehurčke spremenili v drobne laserje. Z delom na Institutu Jožef Stefan in Univerzi v Ljubljani so začeli z ustvarjanjem milnih mehurčkov premera nekaj milimetrov. Ko so jih zmešali s fluorescentnim barvilom in jih črpali s pulznim laserjem, so mehurčki začeli sesati. Valovne dolžine svetlobe, ki jo oddaja mehurček, so zelo odzivne na njegovo velikost, kar utira pot mehurčastim laserskim senzorjem, ki lahko zaznajo drobne spremembe tlaka ali električnega polja okolice.

Laser potrebuje tri ključne komponente: ojačevalni medij, vir energije za ojačevalni medij in optični resonator. Ojačevalni medij ojača svetlobo, kar pomeni, da za vsak foton, ki gre v ojačevalni medij, izstopi več kot en foton. Ta pojav je mogoče izkoristiti tako, da se ojačevalni medij postavi v resonator – na primer med dve ogledali ali znotraj zanke – tako, da se fotoni, ki jih oddaja ojačevalni medij, vrnejo skozenj in ustvarijo ojačan, koherenten žarek svetlobe.

Laserji z milnimi mehurčki naredijo točno to. Da bi jih naredili, Matjaž Humar in Zala Korenjak zmešala standardno milno raztopino s fluorescentnim barvilom, ki deluje kot ojačitveni medij. Mehurčki nastanejo na koncu kapilarne cevke in osvetlitev s pulznim laserjem črpa ojačevalni medij. Svetloba, ki jo proizvaja ojačitveni medij, kroži po površini mehurčka, ki deluje kot resonator.

Za karakterizacijo izhoda mehurčka so raziskovalci uporabili spektrometer za merjenje valovnih dolžin svetlobe, ki jo proizvaja. Šele potem, ko sistem doseže prag energije črpanja, raziskovalci vidijo vrhove v spektru valovnih dolžin mehurčka – ključni pokazatelj laserskega sevanja.

Od katedrale svetega Pavla do gladine milnega mehurčka

Oblikovanje resonatorja iz krogle samo po sebi ni nekaj novega. Mikro votline, oblikovane v kroglah, obročih in toroidih, so vse našle uporabo pri zaznavanju in so znane kot resonatorji v načinu šepetajoče galerije po znameniti šepetajoči galeriji v katedrali sv. Pavla v Londonu. V tej veliki okrogli sobi se lahko dve osebi, ki stojita obrnjeni proti steni na nasprotnih straneh, slišita tudi šepetaje, zahvaljujoč učinkovitemu vodenju zvočnih valov vzdolž ukrivljenih sten sobe.

Na skoraj enak način sta Humar in Korenjak ugotovila, da se svetloba v njunem laserju širi vzdolž površine milnega mehurčka in se pojavi kot svetel trak na lupini mehurčka. Ko svetloba potuje po površini mehurčka, se moti in ustvarja različne "načine" resonatorja. Ti načini se pokažejo kot serija enakomerno razporejenih vrhov v spektru valovnih dolžin mehurčka.

Ne poči mojega mehurčka

"Obstaja veliko mikroresonatorjev, ki se uporabljajo kot laserske votline, vključno s trdnimi sferičnimi lupinami," ugotavlja Matjaž. "Milni mehurčki pa do zdaj niso bili raziskani kot optične votline."

To je lahko delno zato, ker so laserji z mehurčki iz mila omejeni. Ko voda izhlapeva s površine mehurčka, se debelina mehurčka hitro spreminja, dokler ne poči.

Bolj praktična rešitev, ki so jo iskali raziskovalci, je izdelava mehurčkov iz smektičnih tekočih kristalov. Ti ne vsebujejo vode in lahko tvorijo zelo tanke mehurčke, običajno debeline okoli 30–120 nanometrov (nm). Ti laserji s smektičnimi mehurčki so bolj stabilni in lahko preživijo skoraj neomejeno dolgo. Kot pojasnjuje Matjaž, debelejši mehurčki (kot so tisti, ki jih ustvari milo) omogočajo veliko načinov v resonatorju, kar ima za posledico veliko, morda prekrivajočih se vrhov v spektru valovnih dolžin. Tanjši mehurčki (manj kot 200 nm) pa omogočajo le en način v resonatorju. To enonačinsko delovanje se kaže kot enakomerno porazdeljeni vrhovi v laserskih spektrih.

Raziskovalci so dokazali, da je mogoče valovno dolžino, ki jo oddajajo mehurčasti laserji, prilagoditi s spreminjanjem njihovega okolja. Natančneje, spreminjanje tlakov okolice ali električnih polj je spremenilo velikost mehurčka, kar spremeni velikost resonatorja in posledično valovno dolžino laserske emisije. Meritve, ki jih predstavljajo, kažejo, da so laserji s smektičnimi mehurčki občutljivi na električna polja tako majhna kot 0.35 V/mm in spremembe tlaka 0.024 Pa – enako ali bolje kot nekateri obstoječi senzorji.

Par opisuje svoje delo v Fizični pregled X.

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Opolnomočite se. Dostopite tukaj.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• PlatoESG. Ogljik, CleanTech, Energija, Okolje, sončna energija, Ravnanje z odpadki. Dostopite tukaj.
• PlatoHealth. Obveščanje o biotehnologiji in kliničnih preskušanjih. Dostopite tukaj.
• vir: https://physicsworld.com/a/soap-bubbles-transform-into-lasers/