Случайный лазер
 | Эта статья включает список общих ссылок , но в ней отсутствуют достаточные соответствующие встроенные цитаты . ( сентябрь 2011 г. ) |
Случайный лазер (СР) — это лазер, в котором оптическая обратная связь обеспечивается рассеивающими частицами. [1] Как и в обычных лазерах, усиливающая среда для оптического усиления необходима . Однако, в отличие от резонаторов Фабри-Перо и лазеров с распределенной обратной связью , в RL не используются ни отражающие поверхности, ни распределенные периодические структуры, поскольку свет удерживается в активной области диффузионными элементами, которые могут быть или не быть пространственно распределены внутри усиливающей среды. .
Основной принцип случайного лазера заключается в увеличении пути света в неупорядоченных средах; это можно сделать с помощью диффузионно-неупорядоченных сред или с помощью сильной локализации в неупорядоченной среде на лазерном активном фоне.
Сообщалось о случайной генерации на самых разных материалах, например, на коллоидных растворах красителей и рассеивающих частицах. [2] полупроводниковые порошки, [3] Полупроводниковые поликристаллические тонкие пленки, [4] оптические волокна [5] и полимеры. [6] Благодаря выходному излучению с низкой пространственной когерентностью и эффективности преобразования энергии , подобной лазерной , RL являются привлекательными устройствами для энергоэффективного освещения. [7] Идея случайной генерации также может быть обращена во времени, что приведет к созданию случайного антилазера. [8] которая представляет собой неупорядоченную среду, способную прекрасно поглощать входящее когерентное излучение .
Принципы работы
[ редактировать ]
Принцип действия RL широко обсуждался, и сообщалось о различных теоретических подходах (см. ссылки в [9] ). Основными элементами РЛ, как и в обычных лазерах, являются усиление и обратная связь, где усиление обеспечивается накачиваемой усиливающей средой, а обратная связь — рассеивающими частицами.
Распределенная обратная связь является наиболее часто используемой архитектурой. [1] [2] [3] [5] [6] в котором рассеивающие частицы внедрены и хаотично распределены в усиливающей среде. В отличие от распределенной обратной связи, в RL с пространственно-локализованной обратной связью усиление и обратная связь пространственно разделены, а усиливающая среда ограничена рассеивающими средами, которые действуют как элементы обратной связи и выходные разветвители. [10] [11]
В обеих архитектурах резонансы и режимы генерации существуют, если возникают замкнутые контуры с целым числом длин волн. Рассеивающая частица вносит случайный (непредсказуемый) фазовый вклад в падающую волну. Рассеянная волна распространяется и снова рассеивается, добавляя больше случайных фазовых вкладов. Если сумма всех фазовых вкладов в замкнутом контуре равна целому числу, кратному 2π на определенной частоте, на этой частоте допускается существование частотной моды.
Режимы выбросов
[ редактировать ]Со времени первых сообщений в RL наблюдались две разные спектральные характеристики. Нерезонансное некогерентным излучение (также называемое или в несколько нанометров , только амплитудным излучением), характеризующееся одним пиковым спектром с полувысотой и резонансное излучение (также называемое когерентным излучением), характеризующееся множеством узких пиков с субнанометровыми пиками. ширины линий , случайно распределенные по частоте.
Предыдущая номенклатура обусловлена интерпретацией явлений, [12] поскольку острые резонансы с субнанометровой шириной линий, наблюдаемые в резонансном режиме, предполагают некоторый вклад оптической фазы, тогда как нерезонансный режим понимается как усиление рассеянного света без фиксированного фазового соотношения между усиленными фотонами.
В общем, два режима работы объясняются рассеивающими свойствами диффузионного элемента в RL с распределенной обратной связью: слабо (сильно) рассеивающая среда, имеющая длину свободного пробега, намного превышающую (сопоставимую) длину волны излучения, создает -резонансное ( резонансное ) случайное лазерное излучение.
Недавно было продемонстрировано, что режим работы зависит не только от используемого материала, но также от размера и формы насоса. [11] [13] Это позволило предположить, что нерезонансный режим на самом деле состоит из большого количества узких мод, которые перекрываются в пространстве и частоте и сильно связаны друг с другом, схлопываясь в один пиковый спектр с суженной полувысотой по сравнению с кривой усиления и усиленным спонтанным излучением . В резонансном режиме возбуждается меньше мод, они не конкурируют друг с другом за усиление и не связываются между собой.
Локализация Андерсона
[ редактировать ]Локализация Андерсона — хорошо известное явление, которое возникает, когда электроны захватываются неупорядоченной металлической структурой, и этот металл претерпевает фазовый переход от проводника к изолятору . [14] Говорят, что эти электроны локализованы по Андерсону. Условия этой локализации заключаются в том, что в металле имеется достаточно высокая плотность рассеивателей (других электронов, спинов и т. д.), чтобы заставить свободные электроны следовать по одному закольцованному пути.
Аналогия между фотонами и электронами подтолкнула к мысли, что фотоны, диффундирующие через рассеивающую среду, также можно считать локализованными по Андерсону. Согласно этому, если Иоффе-Регель [15] критерий, описывающий отношение волнового вектора фотона k к длине свободного пробега (фотона, ни с чем не сталкивающегося) l , выполняется: kl < 1, тогда существует вероятность того, что фотоны попадут в ловушку почти так же, как электроны. наблюдаются как ловушки локализации Андерсона. Таким образом, пока фотон захвачен, рассеиватели могут действовать как оптическая полость. Усиливающая среда, в которой находятся рассеиватели, позволит возникнуть вынужденному излучению. Как и в обычном лазере, если выигрыш превышает возникающие потери, порог генерации будет нарушен и генерация может произойти.
Фотоны, путешествующие по этой петле, также будут мешать друг другу. Четко определенная длина резонатора (1–10 мкм) обеспечит конструктивность интерференции и позволит определенным модам колебаться. Конкуренция за усиление позволяет одной моде колебаться после достижения порога генерации.
Теория случайного лазера
[ редактировать ]Теория, однако, показывает, что при многократном рассеянии в усиливающих случайных средах андерсоновская локализация света вообще не происходит, хотя расчет интерференции необходим для доказательства этого факта. Напротив, можно доказать так называемые процессы слабой локализации, но активно обсуждается, играют ли эти механизмы ключевую роль в статистике мод или нет. [ нужна ссылка ]
Недавние исследования [ нужна ссылка ] показывают, что эти процессы слабой локализации не являются определяющими явлениями для возникновения случайной генерации. Случайная генерация имеет место при kl > 1. [ нужна ссылка ] Это согласуется с экспериментальными данными. [ нужна ссылка ] Хотя движение света именно по «замкнутым петлям» могло бы интуитивно объяснить возникновение ограниченных лазерных пятен, все еще остается открытым вопрос, коррелируют ли, например, процессы вынужденного излучения с этими процессами. [ нужна ссылка ]
Однако теория «предварительно сформированных полостей» не подтверждена.
Типичное количество усиливающей среды, необходимое для превышения порога генерации, сильно зависит от плотности рассеивателя.
Приложения
[ редактировать ]Эта область относительно молода и поэтому не имеет большого количества реализованных приложений. Однако случайные лазеры на основе ZnO являются перспективными кандидатами для УФ-лазеров с электрической накачкой, биосенсоров и оптической обработки информации. Это связано с низкой себестоимостью производства и тем, что оптимальная температура изготовления подложек для порошков составляет около 500 °C. Это отличается от производства обычного лазерного кристалла при температуре, превышающей 700 °C.
В качестве потенциального применения указывалось также использование случайных лазеров для изучения лазерного воздействия на вещества, которые невозможно получить в виде однородных крупных кристаллов. Кроме того, в диапазонах частот, где недоступны зеркала с высокой отражательной способностью (например, гамма-лучи, рентгеновские лучи), обратная связь, обеспечиваемая соответствующей рассеивающей средой, может использоваться как альтернатива лазерному воздействию. Многие из этих заявок, предложенных до 2005 года, уже были рассмотрены Ногиновым. [16] В 2015 году Луан и его коллеги выделили некоторые из них, уделив особое внимание недавно продемонстрированным: [17] включая фотонный штрих-код, оптомикрофлюидику, оптические батареи, диагностику рака, биовизуализацию без спеклов, встроенный случайный спектрометр, микроскопию/спектроскопию с временным разрешением, зондирование, идентификацию «свой-чужой» и т. д. Кроме того, случайный лазер естественным образом наделен двумя ключевыми преимуществами. , а именно интенсивность лазерного уровня и широкоугольное излучение, которые являются взаимоисключающими в тепловых источниках света, светодиодах (СИД) и типичных лазерах. Считается, что случайный лазер является перспективным и передовым источником света для лазерного освещения. [18] и изображение без пятен. [19]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б Ногинов, М.А. (2005). «Твердотельные случайные лазеры». Серия Спрингера по оптическим наукам . Том. 105. Нью-Йорк: Springer-Verlag. дои : 10.1007/b106788 . ISBN 0-387-23913-8 .
- ^ Перейти обратно: а б Лаванди, Нью-Мексико; Балачандран, РМ; Гомес, ASL; Совен, Э. (31 марта 1994 г.). «Лазерное воздействие в сильно рассеивающих средах». Природа . 368 (6470). ООО «Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа»: 436–438. Бибкод : 1994Natur.368..436L . дои : 10.1038/368436a0 . ISSN 0028-0836 . S2CID 26987876 .
- ^ Перейти обратно: а б Цао, Х.; Чжао, Ю.Г.; Онг, ХК; Хозяин; Дай, JY; Ву, JY; Чанг, RPH (21 декабря 1998 г.). «Ультрафиолетовая генерация в резонаторах, образованных рассеянием в полупроводниковых поликристаллических пленках». Письма по прикладной физике . 73 (25). Издательство AIP: 3656–3658. Бибкод : 1998ApPhL..73.3656C . дои : 10.1063/1.122853 . ISSN 0003-6951 .
- ^ Раджан, Рахул А.; Тао, Хуан; Ю, Вейли; Ян, Цзяньцзюнь (1 февраля 2023 г.). «Светоизлучение и генерация кристаллических перовскитов с пространственным разрешением при фемтосекундной лазерной абляции» . Материалы сегодня Физика . 31 : 101000. doi : 10.1016/j.mtphys.2023.101000 . ISSN 2542-5293 . S2CID 256603002 .
- ^ Перейти обратно: а б Турицын Сергей К.; Бабин, Сергей А.; Эль-Тахер, Атака Э.; Харпер, Пол; Чуркин Дмитрий В.; Каблуков Сергей Иванович; Аня-Честнат, Джон Диего; Каралекас, Василис; Подивилов, Евгений В. (07.02.2010). «Волоконный лазер со случайной распределенной обратной связью». Природная фотоника . 4 (4). ООО «Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа»: 231–235. Бибкод : 2010NaPho... 4..231T дои : 10.1038/nphoton.2010.4 . ISSN 1749-4885 . S2CID 39672706 .
- ^ Перейти обратно: а б Шнитко, Лех; Мысливец, Ярослав; Миневич, Анджей (28 апреля 2015 г.). «Роль полимеров в случайной генерации» . Журнал науки о полимерах, часть B: Физика полимеров . 53 (14). Уайли: 951–974. Бибкод : 2015JPoSB..53..951S . дои : 10.1002/polb.23731 . ISSN 0887-6266 .
- ^ Реддинг, Брэндон; Цао, Хуэй; Чома, Майкл А. (1 декабря 2012 г.). «Лазерная визуализация без пятен со случайным лазерным освещением». Новости оптики и фотоники . 23 (12). Оптическое общество: 30. doi : 10.1364/opn.23.12.000030 . ISSN 1047-6938 .
- ^ Пихлер, Кевин; Кюмайер, Матиас; Бём, Джулиан; Брандштеттер, Андре; Амбихль, Филипп; Куль, Ульрих; Роттер, Стефан (21 марта 2019 г.). «Случайное противогенерирование за счет когерентного идеального поглощения в неупорядоченной среде». Природа . 567 (7748): 351–355. Бибкод : 2019Natur.567..351P . дои : 10.1038/s41586-019-0971-3 . ISSN 0028-0836 . ПМИД 30833737 . S2CID 71144725 .
- ^ Зайцев Олег; Дейч, Лев (11 января 2010 г.). «Последние разработки в теории многомодовых случайных лазеров». Журнал оптики . 12 (2): 024001. arXiv : 0906.3449 . дои : 10.1088/2040-8978/12/2/024001 . ISSN 2040-8978 . S2CID 15889798 .
- ^ Консоли, Антонио; Лопес, Сефе (18 ноября 2015 г.). «Развязка усиления и обратной связи в когерентных случайных лазерах: эксперименты и моделирование» . Научные отчеты . 5 (1). Springer Science and Business Media LLC: 16848. Бибкод : 2015NatSR...516848C . дои : 10.1038/srep16848 . ISSN 2045-2322 . ПМЦ 4649543 . ПМИД 26577668 . S2CID 15492855 .
- ^ Перейти обратно: а б Консоли, Антонио; Лопес, Сефе (10 мая 2016 г.). «Режимы излучения случайных лазеров с пространственно-локализованной обратной связью» . Оптика Экспресс . 24 (10). Оптическое общество: 10912–10920. Бибкод : 2016OExpr..2410912C . дои : 10.1364/oe.24.010912 . ISSN 1094-4087 . ПМИД 27409912 .
- ^ Х. Цао, Дж. Ю. Сюй, Ю. Линг, А. Л. Бурин, Э. В. Силинг, Сян Лю и Р. П. Чанг «Случайные лазеры с когерентной обратной связью» IEEE J. Sel. Вершина. Квантовый электрон. 9, 1, стр. 111–119 https://doi.org/10.1109/JSTQE.2002.807975.
- ^ Леонетти, Марко; Конти, Клаудио; Лопес, Сефе (11 сентября 2011 г.). «Переход с синхронизацией мод случайных лазеров». Природная фотоника . 5 (10). ООО «Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа»: 615–617. arXiv : 1304.3652 . Бибкод : 2011NaPho...5..615L . дои : 10.1038/nphoton.2011.217 . ISSN 1749-4885 . S2CID 55924096 .
- ^ Андерсон, военнопленный (1 марта 1958 г.). «Отсутствие диффузии в некоторых случайных решетках». Физический обзор . 109 (5). Американское физическое общество (APS): 1492–1505. Бибкод : 1958PhRv..109.1492A . дои : 10.1103/physrev.109.1492 . ISSN 0031-899X .
- ^ А. Ф. Иоффе и А. Р. Регель "Некристаллические, аморфные и жидкие электронные полупроводники" Прог. Полусекундный. 4, 237–291 (1960)
- ^ М. А. Ногинов, Твердотельные случайные лазеры , Springer, Нью-Йорк, 2005. (И ссылки там.)
- ^ Луан, Фэн; Гу, Бобо; Гомес, Андерсон С.Л.; Йонг, Кен-Тай; Вэнь, Шуанчун; Прасад, Парас Н. (2015). «Лазировка в нанокомпозитных случайных средах». Нано сегодня . 10 (2). Эльзевир Б.В.: 168–192. дои : 10.1016/j.nantod.2015.02.006 . ISSN 1748-0132 .
- ^ Чанг, Шу-Вэй; Ляо, Вэй-Чэн; Ляо, Юй-Мин; Линь, Хун-И; Линь, Ся-Ю; Линь, Вэй-Цзюй; Линь, Ши-Яо; Перумал, Пакиярадж; Хайдер, Голам (09 февраля 2018 г.). «Белый случайный лазер» . Научные отчеты . 8 (1): 2720. Бибкод : 2018NatSR...8.2720C . дои : 10.1038/s41598-018-21228-w . ISSN 2045-2322 . ПМК 5807428 . ПМИД 29426912 .
- ^ Реддинг, Брэндон; Чома, Майкл А.; Цао, Хуэй (июнь 2012 г.). «Лазерная визуализация без пятен с использованием случайного лазерного освещения» . Природная фотоника . 6 (6): 355–359. arXiv : 1110.6860 . Бибкод : 2012NaPho...6..355R . дои : 10.1038/nphoton.2012.90 . ISSN 1749-4893 . ПМЦ 3932313 . ПМИД 24570762 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Журнал оптики. Спецвыпуск: нано и случайные лазеры. февраль 2010 г. [1]