物理學(xué)：可以在納米級操作的“隨機(jī)，晶體管”激光器！


在過去的半個世紀(jì)中，激光技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為一個價值數(shù)十億美元的全球性產(chǎn)業(yè)，并已應(yīng)用于從光盤驅(qū)動器和條形碼掃描儀到外科和焊接設(shè)備的各個領(lǐng)域。更不用說那些娛樂和混淆你的貓的激光指針。

現(xiàn)在，激光器有望向前邁出一步：凱斯西儲大學(xué)的研究人員與世界各地的合作伙伴合作，通過施加外部電壓，能夠控制激光輸出光束的方向。這是歷史上第一個在過去15年左右一直在試驗他們所謂的“ 隨機(jī)激光器 ”的科學(xué)家。


“還有很多工作要做，但這是晶體管隨機(jī)激光器的明確第一個證據(jù)，其中激光發(fā)射可以通過施加外部電壓來路由和控制，”表面的俄亥俄研究學(xué)者教授Giuseppe Strangi說。凱斯西儲大學(xué)先進(jìn)材料學(xué)院。

領(lǐng)導(dǎo)這項研究的Strangi和他的合作者最近在Nature Communications雜志上發(fā)表的一篇論文中概述了他們的發(fā)現(xiàn)。該項目由芬蘭國家科學(xué)院資助，旨在克服第二代激光器固有的某些物理限制。


激光成功，激光限制！

激光技術(shù)的歷史已經(jīng)快速發(fā)展，因為獨特的光源已經(jīng)徹底改變了現(xiàn)代生活的所有領(lǐng)域，包括電信，生物醫(yī)學(xué)和測量技術(shù)。


但激光技術(shù)也因顯著的缺點而受到阻礙：用戶不僅需要物理操縱設(shè)備投射光線來移動激光，而且要發(fā)揮作用，它們需要精確對準(zhǔn)元件，使其生產(chǎn)成本高昂。

這些局限性很快就會被消除：Strangi和意大利，芬蘭和英國的研究合作伙伴最近展示了一種新的方法來生成和操縱隨機(jī)激光，包括納米尺度。最終，這可能導(dǎo)致醫(yī)療程序更準(zhǔn)確，更少侵入性地進(jìn)行，或者通過翻轉(zhuǎn)表盤重新布置光纖通信線路，Strangi說。


“隨機(jī)”激光器做得更好！

那么激光器究竟是如何工作的呢？

傳統(tǒng)的激光器由給定裝置中的光學(xué)腔或開口組成。在該腔內(nèi)部是發(fā)光和放大光和一對鏡子的光致發(fā)光材料。鏡子迫使光子或光粒子以特定頻率來回反射，產(chǎn)生我們從激光器發(fā)出的紅色激光束。

“但是，如果我們想要將它小型化并擺脫鏡子并制造一個沒有腔體的激光并進(jìn)入納米尺度呢？” 他問?！斑@是現(xiàn)實世界中的一個問題，也是為什么我們不能在本世紀(jì)之前用隨機(jī)激光器進(jìn)一步發(fā)展?！币虼?，在過去15年中已經(jīng)認(rèn)真研究過的隨機(jī)激光器與1960年首次公開的原始技術(shù)不同，主要是因為它們不依賴于鏡像腔。


在隨機(jī)激光器中，在許多方向上發(fā)射的光子反而被光線照射到液晶介質(zhì)中，用這束光引導(dǎo)所得到的粒子。因此，不需要傳統(tǒng)應(yīng)用中所需的大型鏡像結(jié)構(gòu)。

由此產(chǎn)生的波 - 被Strangi稱為“孤子”，研究人員將其作為散射光子跟隨的通道，現(xiàn)在處于有序，集中的路徑中。Strangi說，了解這是如何工作的一種方法是設(shè)想一個輕微的“孤波”版本，當(dāng)河流和海洋潮汐在某些河口相撞時，沖浪者（和淡水魚）可以騎行。最后，研究用電信號擊中了液晶，這使得用戶能夠用表盤“操縱”激光，而不是移動整個結(jié)構(gòu)。Strangi說，這是該團(tuán)隊的重大發(fā)展。


“這就是我們稱之為'晶體管'的原因，因為弱信號（孤子）控制著強(qiáng)大的激光輸出。” 斯特朗吉說。“激光和晶體管是上個世紀(jì)徹底改變的兩項領(lǐng)先技術(shù)，我們發(fā)現(xiàn)它們在同一物理系統(tǒng)中交織在一起”

研究人員相信，他們的研究結(jié)果將使隨機(jī)激光更接近光譜學(xué)的實際應(yīng)用（用于物理和分析化學(xué)以及天文學(xué)和遙感），各種形式的掃描和生物醫(yī)學(xué)程序。