物理学：可以在纳米级操作的“随机，晶体管”激光器！


在过去的半个世纪中，激光技术已经发展成为一个价值数十亿美元的全球性产业，并已应用于从光盘驱动器和条形码扫描仪到外科和焊接设备的各个领域。更不用说那些娱乐和混淆你的猫的激光指针。

现在，激光器有望向前迈出一步：凯斯西储大学的研究人员与世界各地的合作伙伴合作，通过施加外部电压，能够控制激光输出光束的方向。这是历史上第一个在过去15年左右一直在试验他们所谓的“ 随机激光器 ”的科学家。


“还有很多工作要做，但这是晶体管随机激光器的明确第一个证据，其中激光发射可以通过施加外部电压来路由和控制，”表面的俄亥俄研究学者教授Giuseppe Strangi说。凯斯西储大学先进材料学院。

领导这项研究的Strangi和他的合作者最近在Nature Communications杂志上发表的一篇论文中概述了他们的发现。该项目由芬兰国家科学院资助，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！

激光技术的历史已经快速发展，因为独特的光源已经彻底改变了现代生活的所有领域，包括电信，生物医学和测量技术。


但激光技术也因显着的缺点而受到阻碍：用户不仅需要物理操纵设备投射光线来移动激光，而且要发挥作用，它们需要精确对准元件，使其生产成本高昂。

这些局限性很快就会被消除：Strangi和意大利，芬兰和英国的研究合作伙伴最近展示了一种新的方法来生成和操纵随机激光，包括纳米尺度。最终，这可能导致医疗程序更准确，更少侵入性地进行，或者通过翻转表盘重新布置光纤通信线路，Strangi说。


“随机”激光器做得更好！

那么激光器究竟是如何工作的呢？

传统的激光器由给定装置中的光学腔或开口组成。在该腔内部是发光和放大光和一对镜子的光致发光材料。镜子迫使光子或光粒子以特定频率来回反射，产生我们从激光器发出的红色激光束。

“但是，如果我们想要将它小型化并摆脱镜子并制造一个没有腔体的激光并进入纳米尺度呢？” 他问。“这是现实世界中的一个问题，也是为什么我们不能在本世纪之前用随机激光器进一步发展。”因此，在过去15年中已经认真研究过的随机激光器与1960年首次公开的原始技术不同，主要是因为它们不依赖于镜像腔。


在随机激光器中，在许多方向上发射的光子反而被光线照射到液晶介质中，用这束光引导所得到的粒子。因此，不需要传统应用中所需的大型镜像结构。

由此产生的波 - 被Strangi称为“孤子”，研究人员将其作为散射光子跟随的通道，现在处于有序，集中的路径中。Strangi说，了解这是如何工作的一种方法是设想一个轻微的“孤波”版本，当河流和海洋潮汐在某些河口相撞时，冲浪者（和淡水鱼）可以骑行。最后，研究用电信号击中了液晶，这使得用户能够用表盘“操纵”激光，而不是移动整个结构。Strangi说，这是该团队的重大发展。


“这就是我们称之为'晶体管'的原因，因为弱信号（孤子）控制着强大的激光输出。” 斯特朗吉说。“激光和晶体管是上个世纪彻底改变的两项领先技术，我们发现它们在同一物理系统中交织在一起”

研究人员相信，他们的研究结果将使随机激光更接近光谱学的实际应用（用于物理和分析化学以及天文学和遥感），各种形式的扫描和生物医学程序。