ฟองสบู่กลายเป็นเลเซอร์ - โลกฟิสิกส์

ฟองสบู่กลายเป็นเลเซอร์ - โลกฟิสิกส์

ประทับเวลา: 15 มีนาคม 2024 10:00 น


ภาพถ่ายฟองสบู่ที่ปลายหลอดเส้นเลือดฝอย อาบไปด้วยแสงเลเซอร์สีเขียวเหลือง
ฟองเรืองแสง: ฟองสบู่ที่เลอะที่ปลายท่อเส้นเลือดฝอย (เอื้อเฟื้อโดย: Matjaž Humar และ Zala Korenjak/สถาบัน Jožef Stefan)

สบู่เป็นอาหารหลักในครัวเรือนมายาวนาน แต่นักวิทยาศาสตร์ในสโลวีเนียได้ค้นพบวิธีใช้แบบใหม่ด้วยการเปลี่ยนฟองสบู่ให้เป็นเลเซอร์จิ๋ว พวกเขาทำงานที่สถาบัน Jožef Stefan และมหาวิทยาลัยลูบลิยานา โดยเริ่มต้นด้วยการสร้างฟองสบู่ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางไม่กี่มิลลิเมตร เมื่อพวกเขาผสมสิ่งเหล่านี้กับสีย้อมฟลูออเรสเซนต์และปั๊มด้วยเลเซอร์พัลซ์ ฟองอากาศก็เริ่มที่จะสลายไป ความยาวคลื่นของแสงที่ฟองปล่อยออกมาจะตอบสนองต่อขนาดของมันได้ดีมาก เป็นการปูทางสำหรับเซนเซอร์บับเบิ้ลเลเซอร์ที่สามารถตรวจจับการเปลี่ยนแปลงเล็กๆ น้อยๆ ของความดันหรือสนามไฟฟ้าโดยรอบได้

เลเซอร์ต้องการองค์ประกอบหลักสามประการ ได้แก่ ตัวกลางเกน แหล่งพลังงานสำหรับตัวกลางเกน และเครื่องสะท้อนแสง ตัวกลางเกนจะขยายแสง ซึ่งหมายความว่าโฟตอนทุกตัวที่เข้าไปในตัวกลางเกน จะมีโฟตอนมากกว่าหนึ่งตัวออกมา ปรากฏการณ์นี้สามารถใช้ประโยชน์ได้โดยการวางตัวกลางเกนไว้ในตัวสะท้อนเสียง เช่น ระหว่างกระจกเงา 2 ตัวหรือภายในวงแหวน โดยที่โฟตอนที่ปล่อยออกมาจากตัวกลางเกนจะกลับผ่านตัวกลางนั้นเพื่อสร้างลำแสงที่มีการขยายและต่อเนื่องกัน

เลเซอร์ฟองสบู่ทำแบบนั้นจริงๆ เพื่อให้พวกเขา มัตยาซ ฮูมาร์ และซาล่า โคเรนจัก ผสมสบู่มาตรฐานกับสีย้อมเรืองแสงซึ่งทำหน้าที่เป็นตัวกลางในการได้รับ ฟองอากาศก่อตัวที่ปลายท่อคาปิลลารี และให้แสงสว่างด้วยเลเซอร์พัลซ์ที่จะปั๊มตัวกลางเกน แสงที่ตัวกลางเกนสร้างขึ้นจะไหลเวียนไปตามพื้นผิวของฟองซึ่งทำหน้าที่เป็นตัวสะท้อนกลับ

เพื่อระบุลักษณะของฟองสบู่ นักวิจัยได้ใช้สเปกโตรมิเตอร์เพื่อวัดความยาวคลื่นของแสงที่ฟองสบู่สร้างขึ้น หลังจากที่ระบบถึงขีดจำกัดพลังงานการสูบเท่านั้น นักวิจัยจึงเห็นจุดสูงสุดในสเปกตรัมความยาวคลื่นของฟองสบู่ ซึ่งเป็นเครื่องหมายสำคัญของการปล่อยเลเซอร์

จากมหาวิหารเซนต์ปอลสู่พื้นผิวฟองสบู่

การสร้างเครื่องสะท้อนเสียงจากทรงกลมนั้นไม่ใช่เรื่องใหม่ในตัวมันเอง โพรงเล็กๆ ที่เกิดขึ้นในทรงกลม วงแหวน และโทรอยด์ล้วนมีประโยชน์ในการตรวจจับ และเป็นที่รู้จักในชื่อเครื่องสะท้อนเสียงโหมดแกลเลอรีเสียงกระซิบ ตามชื่อแกลเลอรีเสียงกระซิบอันโด่งดังที่มหาวิหารเซนต์พอลในลอนดอน ภายในห้องทรงกลมขนาดใหญ่นี้ คนสองคนที่ยืนหันหน้าเข้าหาผนังฝั่งตรงข้ามสามารถได้ยินกันแม้จะเป็นเสียงกระซิบ เนื่องจากการนำคลื่นเสียงไปตามผนังโค้งของห้องอย่างมีประสิทธิภาพ

ภาพถ่ายแสดงฟองเลเซอร์ที่มีวงแหวนแสงสีเขียวสว่างรอบๆ ตรงกลาง
โหมดแกลเลอรีเสียงกระซิบ: แสงเลเซอร์จะแพร่กระจายไปตามพื้นผิวของฟองสบู่ในลักษณะเดียวกับที่เสียงเดินทางรอบผนังของ "แกลเลอรีกระซิบ" อันโด่งดังในมหาวิหารเซนต์พอล ลอนดอน (เอื้อเฟื้อโดย: Matjaž Humar และ Zala Korenjak/สถาบัน Jožef Stefan)

ในทำนองเดียวกัน Humar และ Korenjak พบว่าแสงแพร่กระจายไปตามพื้นผิวของฟองสบู่ด้วยเลเซอร์ และปรากฏเป็นแถบสว่างบนเปลือกของฟอง ขณะที่แสงเดินทางรอบพื้นผิวของฟอง แสงจะรบกวน ทำให้เกิด "โหมด" ที่ชัดเจนของเครื่องสะท้อนเสียง โหมดเหล่านี้จะแสดงเป็นชุดของจุดสูงสุดที่มีระยะห่างสม่ำเสมอในสเปกตรัมความยาวคลื่นของฟองอากาศ

ภาพเลเซอร์ฟองสเมกติกที่วางทับบนสเปกตรัมของการเปล่งแสงซึ่งแสดงจุดสูงสุดที่มีระยะห่างสม่ำเสมอ
สเปกตรัมจากฟอง: เลเซอร์ฟองสเมกติกจะปล่อยแสงความยาวคลื่นที่มีระยะห่างสม่ำเสมอ (เอื้อเฟื้อโดย: Matjaž Humar และ Zala Korenjak/สถาบัน Jožef Stefan)

อย่าทำให้ฟองของฉันแตก

“มีเครื่องสะท้อนเสียงขนาดเล็กจำนวนมากที่ใช้เป็นโพรงเลเซอร์ รวมถึงเปลือกทรงกลมที่เป็นของแข็ง” Matjaž กล่าว “ฟองสบู่ยังไม่ได้รับการศึกษาว่าเป็นโพรงแสงจนกระทั่งบัดนี้”

ส่วนหนึ่งอาจเป็นเพราะเลเซอร์บับเบิ้ลที่ทำจากสบู่ใช้งานได้จริงอย่างจำกัด เมื่อน้ำระเหยออกจากพื้นผิวของฟอง ความหนาของฟองจะเปลี่ยนอย่างรวดเร็วจนกระทั่งแตกตัว

แนวทางปฏิบัติที่เป็นประโยชน์มากขึ้นที่นักวิจัยดำเนินการคือการสร้างฟองอากาศจากผลึกเหลวแบบสเมกติก สิ่งเหล่านี้ไม่มีน้ำและสามารถก่อให้เกิดฟองอากาศบางมาก โดยทั่วไปจะมีความหนาประมาณ 30-120 นาโนเมตร (nm) เลเซอร์ฟองสเมกติกเหล่านี้มีความเสถียรมากกว่าและสามารถอยู่รอดได้เกือบจะไม่มีกำหนด ดังที่ Matjaž อธิบาย ฟองที่หนากว่า (เช่น ฟองสบู่) ยอมให้มีโหมดต่างๆ ในตัวสะท้อน ส่งผลให้เกิดจุดสูงสุดที่ทับซ้อนกันหลายจุดในสเปกตรัมความยาวคลื่น อย่างไรก็ตาม ฟองอากาศที่บางกว่า (น้อยกว่า 200 นาโนเมตร) อนุญาตให้ใช้โหมดเดียวในตัวสะท้อนเสียงเท่านั้น การดำเนินการในโหมดเดี่ยวนี้จะแสดงเป็นพีคที่กระจายเท่าๆ กันในสเปกตรัมเลเซอร์

นักวิจัยได้แสดงให้เห็นว่าความยาวคลื่นของฟองเลเซอร์ที่ปล่อยออกมานั้นสามารถปรับได้โดยการเปลี่ยนสภาพแวดล้อม โดยเฉพาะอย่างยิ่ง การเปลี่ยนแปลงความดันบรรยากาศหรือสนามไฟฟ้าทำให้ขนาดของฟองอากาศเปลี่ยนแปลง ซึ่งเปลี่ยนขนาดของตัวสะท้อนกลับ และในทางกลับกัน ความยาวคลื่นของการปล่อยเลเซอร์ การวัดที่นำเสนอแสดงให้เห็นว่าเลเซอร์ฟองสเมกติกมีความไวต่อสนามไฟฟ้าที่มีขนาดเล็กเพียง 0.35V/มม. และการเปลี่ยนแปลงความดัน 0.024 Pa – เท่ากันหรือดีกว่าเซ็นเซอร์บางตัวที่มีอยู่

ทั้งคู่บรรยายถึงงานของพวกเขาใน การทบทวนทางกายภาพ X.

ประทับเวลา:

เพิ่มเติมจาก โลกฟิสิกส์