自组装微型激光器适应环境

英国的物理学家设计了一种自组装光子系统，该系统可以主动调整其产生的激光束以响应不断变化的照明。 团队，由 里卡多·萨皮恩扎 在伦敦帝国理工学院和 乔治·沃尔佩 在伦敦大学学院，他们的设计基于一个悬浮微粒系统，当混合物被照亮时，这些微粒会形成密集的簇。

自然界中的许多系统可以利用其周围环境中的能量在单个元素组内形成协调的结构和模式。 这些范围从鱼群（它们动态地改变它们的形状以逃避捕食者）到蛋白质折叠以响应身体功能（例如肌肉收缩）。

现在有一个广泛的研究领域致力于在人造材料中模拟这种自组织，这些材料可以适应和重新配置自己以响应不断变化的环境。 在这项最新研究中，报道于 自然物理学, Sapienza 和 Volpe 的团队旨在在激光设备中重现这种效果，该设备会随着环境的变化而改变其产生的光。

为了实现这一目标，研究人员开发了一种名为胶体的独特材料，其中颗粒分散在整个液体中。 由于这些粒子可以很容易地合成尺寸与可见光波长相当的粒子，因此胶体已被广泛用作先进光子器件（包括激光器）的构建模块。

当它们的粒子悬浮在激光染料溶液中时，这些混合物可以散射和放大捕获在其中的光，通过另一个高能激光器的光泵浦产生激光束。 然而，到目前为止，这些设计主要涉及静态胶体，其粒子无法随着周围环境的变化而重新配置自己。

在他们的实验中，Sapienza、Volpe 及其同事引入了一种更先进的胶体混合物，其中二氧化钛（TiO₂) 粒子均匀地悬浮在激光染料的乙醇溶液中，该溶液还含有 Janus 粒子（具有不同物理性质的两个不同侧面）。 Janus 粒子的球形表面有一半是裸露的，而另一半则涂有一层薄薄的碳，从而改变了它的热性能。

这意味着当 Janus 粒子被 632.8 nm HeNe 激光照射时，它们会在它们周围的液体中产生分子级温度梯度。 这导致了 TiO₂ 胶体中的粒子聚集在热的 Janus 粒子周围并形成光学腔。 照明结束后，Janus 粒子冷却，粒子分散回原来的均匀排列。

这种独特的行为使 Sapienza 和 Volpe 的团队能够仔细控制他们的二氧化钛的尺寸和密度₂集群。 通过光泵浦，他们表明足够密集的星团可以产生强激光，跨越窄范围的可见波长。 该过程也是完全可逆的，一旦移除照明，激光就会变暗和变宽。

在展示一种可以主动响应照明变化的激光系统时，研究人员希望他们的结果能够激发新一代的自组装光子材料：适用于传感、基于光的计算和智能显示器等广泛的应用。