物理學(xué)：可以在納米級(jí)操作的“隨機(jī)，晶體管”激光器！


在過去的半個(gè)世紀(jì)中，激光技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)價(jià)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(dòng)器和條形碼掃描儀到外科和焊接設(shè)備的各個(gè)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(chǔ)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(gè)在過去15年左右一直在試驗(yàn)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(gè)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(chǔ)大學(xué)先進(jìn)材料學(xué)院。

領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)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(xiàng)目由芬蘭國(guó)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?yàn)楠?dú)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(cè)量技術(shù)。


但激光技術(shù)也因顯著的缺點(diǎn)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(dòng)激光，而且要發(fā)揮作用，它們需要精確對(duì)準(zhǔn)元件，使其生產(chǎn)成本高昂。

這些局限性很快就會(huì)被消除：Strangi和意大利，芬蘭和英國(guó)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(duì)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(gè)沒有腔體的激光并進(jìn)入納米尺度呢？” 他問。“這是現(xiàn)實(shí)世界中的一個(gè)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?！币虼耍谶^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?yàn)樗鼈儾灰蕾囉阽R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(gè)輕微的“孤波”版本，當(dāng)河流和海洋潮汐在某些河口相撞時(shí)，沖浪者（和淡水魚）可以騎行。最后，研究用電信號(hào)擊中了液晶，這使得用戶能夠用表盤“操縱”激光，而不是移動(dòng)整個(gè)結(jié)構(gòu)。Strangi說，這是該團(tuán)隊(duì)的重大發(fā)展。


“這就是我們稱之為'晶體管'的原因，因?yàn)槿跣盘?hào)（孤子）控制著強(qiáng)大的激光輸出?！?斯特朗吉說?！凹す夂途w管是上個(gè)世紀(jì)徹底改變的兩項(xiàng)領(lǐng)先技術(shù)，我們發(fā)現(xiàn)它們?cè)谕晃锢硐到y(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(shí)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。