物理學：可以在納米級操作的“隨機，晶體管”激光器！


在過去的半個世紀中，激光技術已經發展成為一個價值數十億美元的全球性產業，并已應用于從光盤驅動器和條形碼掃描儀到外科和焊接設備的各個領域。更不用說那些娛樂和混淆你的貓的激光指針。

現在，激光器有望向前邁出一步：凱斯西儲大學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“ 隨機激光器 ”的科學家。


“還有很多工作要做，但這是晶體管隨機激光器的明確第一個證據，其中激光發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者教授Giuseppe Strangi說。凱斯西儲大學先進材料學院。

領導這項研究的Strangi和他的合作者最近在Nature Communications雜志上發表的一篇論文中概述了他們的發現。該項目由芬蘭國家科學院資助，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！

激光技術的歷史已經快速發展，因為獨特的光源已經徹底改變了現代生活的所有領域，包括電信，生物醫學和測量技術。


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

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激光，包括納米尺度。最終，這可能導致醫療程序更準確，更少侵入性地進行，或者通過翻轉表盤重新布置光纖通信線路，Strangi說。


“隨機”激光器做得更好！

那么激光器究竟是如何工作的呢？

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

“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入納米尺度呢？” 他問。“這是現實世界中的一個問題，也是為什么我們不能在本世紀之前用隨機激光器進一步發展。”因此，在過去15年中已經認真研究過的隨機激光器與1960年首次公開的原始技術不同，主要是因為它們不依賴于鏡像腔。


在隨機激光器中，在許多方向上發射的光子反而被光線照射到液晶介質中，用這束光引導所得到的粒子。因此，不需要傳統應用中所需的大型鏡像結構。

由此產生的波 - 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想一個輕微的“孤波”版本，當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，而不是移動整個結構。Strangi說，這是該團隊的重大發展。


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

研究人員相信，他們的研究結果將使隨機激光更接近光譜學的實際應用（用于物理和分析化學以及天文學和遙感），各種形式的掃描和生物醫學程序。