Såpbubblor förvandlas till lasrar – Physics World

Tvål har länge varit en bas i hushållet, men forskare i Slovenien har nu hittat en ny användning för den genom att omvandla tvålbubblor till små lasrar. De arbetade vid Jožef Stefan-institutet och universitetet i Ljubljana och började med att skapa såpbubblor som är några millimeter i diameter. När de blandade dessa med ett fluorescerande färgämne och pumpade dem med en pulsad laser började bubblorna att lasera. Våglängderna av ljus som bubblan avger är mycket känsliga för dess storlek, vilket banar väg för bubbellasersensorer som kan upptäcka små förändringar i tryck eller omgivande elektriskt fält.

En laser kräver tre nyckelkomponenter: ett förstärkningsmedium, en energikälla för förstärkningsmediet och en optisk resonator. Förstärkningsmediet förstärker ljuset, vilket innebär att för varje foton som går in i förstärkningsmediet kommer mer än en foton ut. Detta fenomen kan utnyttjas genom att placera förstärkningsmediet i en resonator – till exempel mellan två speglar eller inuti en slinga – så att fotonerna som emitteras av förstärkningsmediet går tillbaka genom det för att skapa en förstärkt, koherent ljusstråle.

Såpbubbellasrarna gör precis det. För att göra dem, Matjaž Humar och Zala Korenjak blandad standardtvållösning med fluorescerande färgämne, som fungerar som förstärkningsmedium. Bubblorna bildas i änden av ett kapillärrör, och genom att belysa dem med en pulsad laser pumpas förstärkningsmediet. Ljuset som förstärkningsmediet producerar cirkulerar längs ytan av bubblan, som fungerar som en resonator.

För att karakterisera bubblans produktion använde forskarna en spektrometer för att mäta våglängderna av ljus som den producerar. Först efter att systemet når en tröskel för pumpenergi ser forskarna toppar i bubblans våglängdsspektrum – en nyckelmarkör för lasring.

Från St. Paul's Cathedral till ytan av en såpbubbla

Att bilda en resonator ur en sfär är i sig inte nytt. Mikrohålrum som bildas i sfärer, ringar och toroider har alla funnit användning i avkänning och är kända som viskande gallerilägesresonatorer efter det berömda viskgalleriet vid St. Paul's Cathedral i London. Inom detta stora, cirkulära rum kan två personer som står vända mot väggen på var sin sida höra varandra även vid en viskning tack vare den effektiva styrningen av ljudvågor längs rummets böjda väggar.

På ungefär samma sätt fann Humar och Korenjak att ljus fortplantar sig längs såpbubblans yta i deras laser och visas som ett ljust band på bubblans skal. När ljuset färdas runt bubblans yta stör det och skapar distinkta "lägen" för resonatorn. Dessa lägen visar sig som en serie av regelbundet åtskilda toppar i bubblans våglängdsspektrum.

Spräng inte min bubbla

"Det finns många mikroresonatorer som används som laserkaviteter, inklusive solida sfäriska skal," noterar Matjaž. "Såpbubblor har dock inte studerats som optiska kaviteter förrän nu."

Detta kan delvis bero på att bubbellasrar gjorda av tvål har begränsad användbarhet. När vatten avdunstar från bubblans yta ändras bubblans tjocklek snabbt tills den poppar.

En mer praktisk lösning som forskarna eftersträvade är att göra bubblor av smektiska flytande kristaller. Dessa innehåller inte vatten och kan bilda mycket tunna bubblor, vanligtvis runt 30-120 nanometer (nm) tjocka. Dessa smektiska bubbellasrar är mer stabila och kan överleva nästan på obestämd tid. Som Matjaž förklarar tillåter tjockare bubblor (som de som skapas av tvål) många lägen i resonatorn, vilket resulterar i många, möjligen överlappande toppar i våglängdsspektrumet. Tunnare bubblor (mindre än 200 nm) tillåter dock endast ett läge i resonatorn. Denna singelmodsoperation manifesterar sig som jämnt fördelade toppar i lasrspektra.

Forskarna visade att våglängden som bubbellasrarna avgav kunde ställas in genom att ändra deras miljö. Specifikt ändrade omgivningstrycken eller de elektriska fälten storleken på bubblan, vilket ändrar storleken på resonatorn och i sin tur våglängden på laseremissionen. Mätningarna de presenterar visar att de smektiska bubbellasrarna är känsliga för elektriska fält så små som 0.35V/mm och tryckförändringar på 0.024 Pa – i nivå med eller bättre än vissa befintliga sensorer.

Paret beskriver sitt arbete i Fysisk granskning X.

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrka dig själv. Tillgång här.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Platoesg. Kol, CleanTech, Energi, Miljö, Sol, Avfallshantering. Tillgång här.
• PlatoHealth. Biotech och kliniska prövningar Intelligence. Tillgång här.
• Källa: https://physicsworld.com/a/soap-bubbles-transform-into-lasers/