Bong bóng xà phòng biến thành tia laser – Thế Giới Vật Lý

Bong bóng xà phòng biến thành tia laser – Thế Giới Vật Lý

Dấu thời gian: Ngày 15 tháng 2024 năm 10 00:XNUMX sáng


Hình ảnh bong bóng xà phòng ở đầu ống mao dẫn được chiếu ánh sáng laser màu xanh lục hơi vàng
Bong bóng phát sáng: Bong bóng xà phòng phát sáng ở đầu ống mao dẫn. (Được phép: Matjaž Humar và Zala Korenjak/Viện Jožef Stefan)

Xà phòng từ lâu đã là một mặt hàng thiết yếu trong gia đình, nhưng các nhà khoa học ở Slovenia hiện đã tìm ra một công dụng mới của nó bằng cách biến bong bóng xà phòng thành những tia laser cực nhỏ. Làm việc tại Viện Jožef Stefan và Đại học Ljubljana, họ bắt đầu bằng cách tạo ra bong bóng xà phòng có đường kính vài mm. Khi họ trộn chúng với thuốc nhuộm huỳnh quang và bơm chúng bằng tia laser xung, các bong bóng bắt đầu phóng ra. Các bước sóng ánh sáng mà bong bóng phát ra có độ nhạy cao với kích thước của nó, mở đường cho các cảm biến laser bong bóng có thể phát hiện những thay đổi nhỏ về áp suất hoặc điện trường xung quanh.

Laser cần ba thành phần chính: môi trường khuếch đại, nguồn năng lượng cho môi trường khuếch đại và bộ cộng hưởng quang. Môi trường khuếch đại khuếch đại ánh sáng, nghĩa là cứ mỗi photon đi vào môi trường khuếch đại sẽ có nhiều hơn một photon phát ra. Hiện tượng này có thể được khai thác bằng cách đặt môi trường khuếch đại vào một bộ cộng hưởng – ví dụ, giữa hai tấm gương hoặc bên trong một vòng lặp – sao cho các photon phát ra từ môi trường khuếch đại quay trở lại qua nó để tạo ra một chùm ánh sáng kết hợp, được khuếch đại.

Các tia laser bong bóng xà phòng thực hiện chính xác điều đó. Để làm cho họ, Matjaž Humar và dung dịch xà phòng tiêu chuẩn hỗn hợp Zala Korenjak với thuốc nhuộm huỳnh quang, đóng vai trò là môi trường khuếch đại. Các bong bóng hình thành ở cuối ống mao dẫn và chiếu sáng chúng bằng xung laser sẽ bơm môi trường khuếch đại. Ánh sáng mà môi trường khuếch đại tạo ra sẽ lưu thông dọc theo bề mặt bong bóng, hoạt động như một bộ cộng hưởng.

Để mô tả đầu ra của bong bóng, các nhà nghiên cứu đã sử dụng máy quang phổ để đo bước sóng ánh sáng mà nó tạo ra. Chỉ sau khi hệ đạt đến ngưỡng năng lượng bơm, các nhà nghiên cứu mới nhìn thấy các đỉnh trong phổ bước sóng của bong bóng – một dấu hiệu quan trọng của sự phát laser.

Từ Nhà thờ Thánh Paul đến bề mặt bong bóng xà phòng

Bản thân việc hình thành một bộ cộng hưởng từ một quả cầu không phải là điều mới. Các khoang vi mô hình thành trong các quả cầu, vòng và hình xuyến đều được sử dụng trong cảm biến và được gọi là bộ cộng hưởng chế độ thư viện thì thầm theo tên phòng trưng bày thì thầm nổi tiếng tại Nhà thờ St. Paul ở London. Trong căn phòng hình tròn, rộng lớn này, hai người đứng quay mặt vào tường ở hai phía đối diện nhau có thể nghe thấy nhau ngay cả khi thì thầm nhờ sự dẫn hướng hiệu quả của sóng âm dọc theo các bức tường cong của căn phòng.

Hình ảnh hiển thị tia laser bong bóng với một vòng ánh sáng màu xanh lục sáng xung quanh tâm
Chế độ phòng trưng bày thì thầm: Ánh sáng laze truyền dọc theo bề mặt bong bóng xà phòng giống như cách âm thanh truyền quanh các bức tường của “phòng trưng bày thì thầm” nổi tiếng ở Nhà thờ St Paul, London. (Được phép: Matjaž Humar và Zala Korenjak/Viện Jožef Stefan)

Theo cách tương tự, Humar và Korenjak phát hiện ra rằng ánh sáng truyền dọc theo bề mặt bong bóng xà phòng trong tia laser của họ và xuất hiện dưới dạng một dải sáng trên vỏ bong bóng. Khi ánh sáng di chuyển xung quanh bề mặt bong bóng, nó sẽ giao thoa, tạo ra các “chế độ” riêng biệt của bộ cộng hưởng. Các chế độ này hiển thị dưới dạng một loạt các đỉnh cách đều nhau trong phổ bước sóng của bong bóng.

Hình ảnh tia laser bong bóng smectic được đặt chồng lên quang phổ phát xạ ánh sáng của nó cho thấy các đỉnh cách đều nhau
Quang phổ từ bong bóng: Laser bong bóng smectic phát ra các bước sóng ánh sáng cách đều nhau. (Được phép: Matjaž Humar và Zala Korenjak/Viện Jožef Stefan)

Đừng làm vỡ bong bóng của tôi

Matjaž lưu ý: “Có rất nhiều bộ cộng hưởng vi mô được sử dụng làm hộp chứa laser, bao gồm cả những lớp vỏ hình cầu rắn. “Tuy nhiên, cho đến nay, bong bóng xà phòng vẫn chưa được nghiên cứu như hộp cộng hưởng quang học.”

Điều này có thể một phần là do tia laser bong bóng làm từ xà phòng có tính ứng dụng hạn chế. Khi nước bốc hơi khỏi bề mặt bong bóng, độ dày của bong bóng thay đổi nhanh chóng cho đến khi nó vỡ ra.

Một giải pháp thực tế hơn mà các nhà nghiên cứu theo đuổi là tạo ra bong bóng từ tinh thể lỏng smectic. Chúng không chứa nước và có thể tạo thành bong bóng rất mỏng, thường dày khoảng 30-120 nanomet (nm). Những tia laser bong bóng smectic này ổn định hơn và có thể tồn tại gần như vô thời hạn. Như Matjaž giải thích, các bong bóng dày hơn (chẳng hạn như các bong bóng do xà phòng tạo ra), cho phép có nhiều chế độ trong bộ cộng hưởng, dẫn đến nhiều đỉnh có thể chồng lên nhau trong phổ bước sóng. Tuy nhiên, các bong bóng mỏng hơn (dưới 200 nm) chỉ cho phép một chế độ trong bộ cộng hưởng. Hoạt động ở chế độ đơn này biểu hiện dưới dạng các đỉnh phân bố đều trong quang phổ phát laser.

Các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng bước sóng mà các tia laser bong bóng phát ra có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi môi trường của chúng. Cụ thể, việc thay đổi áp suất xung quanh hoặc điện trường đã làm thay đổi kích thước của bong bóng, làm thay đổi kích thước của bộ cộng hưởng và đến lượt nó là bước sóng phát xạ laser. Các phép đo mà họ trình bày cho thấy các laser bong bóng smectic rất nhạy với điện trường nhỏ tới 0.35V/mm và sự thay đổi áp suất 0.024 Pa – ngang bằng hoặc tốt hơn một số cảm biến hiện có.

Cặp đôi mô tả công việc của họ trong Đánh giá vật lý X.

Dấu thời gian:

Thêm từ Thế giới vật lý