WikiDer > Случайный лазер

Random laser

А случайный лазер (RL) это лазер, в котором оптическая обратная связь обеспечивается рассеяние частицы.[1] Как и в обычных лазерах, получить средний требуется для оптического усиления. Однако в отличие от Полости Фабри – Перо и лазер с распределенной обратной связьюв RL не используются ни отражающие поверхности, ни распределенные периодические структуры, так как свет ограничивается в активной области рассеивающими элементами, которые могут или не могут быть пространственно распределены внутри получить средний.

Сообщалось о случайной генерации из большого количества материалов, например коллоидные растворы красителя и рассеивающие частицы,[2] полупроводниковые порошки,[3] оптические волокна [4] и полимеры.[5] Из-за выходного излучения с низкой пространственной когерентностью и эффективности преобразования энергии, подобной лазерной, RL являются привлекательными устройствами для применения в энергоэффективном освещении.[6] Концепция случайной генерации также может быть обращена во времени, что приводит к случайному антилазерному[7], которая представляет собой неупорядоченную среду, способную отлично поглощают приходящее когерентное излучение.

Принцип работы

Схематическое описание (а) лазера Фабри Перо (б) DFB-лазера (в) RL с пространственно-локализованной обратной связью (d) RL с пространственно-распределенной обратной связью

Принцип работы RL широко обсуждался, и были описаны различные теоретические подходы (см. Ссылки в [8]). Основными элементами RL, как и в обычных лазерах, являются усиление и обратная связь, где усиление обеспечивается за счет накачиваемой среды усиления и обратная связь за счет рассеивающих частиц.

Распределенная обратная связь - наиболее часто используемая архитектура,[1][2][3][4][5] в котором рассеивающие частицы внедряются и случайным образом распределяются в усиливающей среде. В отличие от распределенной обратной связи, в пространственно локализованных RL обратной связи, усиление и обратная связь пространственно разделены, а усиливающая среда ограничена рассеивающими средами, которые действуют как элементы обратной связи и выходные элементы связи.[9][10]

В обеих архитектурах резонансы и режимы генерации существуют, если возникают замкнутые контуры с целым числом длин волн. Рассеивающая частица добавляет случайный (непредсказуемый) фазовый вклад в падающую волну. Рассеянная волна распространяется и снова рассеивается, добавляя больше случайных фазовых вкладов. Если все фазовые вклады в замкнутом контуре суммируются до целого числа, кратного 2π на определенной частоте, на этой частоте допускается существование частотного режима.

Режимы выбросов

Со времени первых сообщений от RL наблюдались две разные спектральные сигнатуры. В нерезонансный эмиссия (также называемая бессвязный или только амплитуда излучения), характеризующегося одним пиковым спектром с FWHM нескольких нанометров, а резонансный эмиссия (также называемая последовательный эмиссия), характеризующаяся множеством узких пиков с субнанометровым ширина линии, случайно распределенные по частоте.

Предыдущая номенклатура обусловлена ​​интерпретацией явлений,[11] как резкие резонансы с субнанометровой шириной линии, наблюдаемые в резонансный режим предполагал некоторый вклад оптической фазы, в то время как нерезонансный Под режимом понимается усиление рассеянного света без фиксированного соотношения фаз между усиленными фотонами.

В целом, два режима работы объясняются рассеивающими свойствами диффузионного элемента в КЛ с распределенной обратной связью: слаборассеивающая среда, имеющая транспортная длина свободного пробега намного больше, чем длина волны излучения (сопоставимая с ней), создают нерезонансный (резонансный) случайное генерационное излучение.

Недавно было продемонстрировано, что режим работы зависит не только от используемого материала, но также от размера и формы насоса.[10][12] Это наводило на мысль, что нерезонансный режим фактически состоит из большого количества узких мод, которые перекрываются в пространстве и по частоте и сильно связаны вместе, коллапсируя в единый пиковый спектр с суженными FWHM по сравнению с кривая усиления и усиленное спонтанное излучение. В резонансный режима возбуждается меньше мод, они не конкурируют друг с другом за усиление и не соединяются вместе.

Локализация Андерсона

Локализация Андерсона это хорошо известное явление, которое возникает, когда электроны попасть в ловушку беспорядочного металлический структура, и этот металл претерпевает фазовый переход из дирижер к изолятор.[13] Эти электроны считаются локализованными по Андерсону. Условия этой локализации заключаются в том, что в металле достаточно высокая плотность рассеивателей (других электронов, спиныи т. д.), чтобы свободные электроны следовали по единственной петлеобразной траектории.

Аналогия между фотонами и электронами подтолкнула к представлению о том, что фотоны, диффундирующие через рассеивающую среду, также можно считать локализованными по Андерсону. Согласно этому, если Иоффе-Регель[14] критерий, описывающий отношение фотонов волновой вектор k к длина свободного пробега (фотона ни с чем не сталкиваются) л, выполняется: kl <1, то есть вероятность того, что фотоны будут захвачены во многом так же, как электроны, которые наблюдаются в условиях локализации Андерсона. Таким образом, пока фотон захватывается, рассеиватели могут действовать как оптический резонатор. Усиливающая среда, в которой находятся рассеиватели, позволяет возникать стимулированному излучению. Как и в обычном лазере, если усиление больше, чем понесенные потери, порог генерации будет нарушен, и генерация может произойти.

Фотоны, путешествующие по этой петле, также будут мешать друг другу. Четко определенная длина полости (1–10 мкм) гарантирует, что вмешательство конструктивен и позволяет колебаться определенным режимам. Конкуренция за усиление позволяет одной моде колебаться после достижения порога генерации.

Теория случайного лазера

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, процессы так называемых слабых локализаций могут быть доказаны, но активно обсуждается, играют ли эти механизмы ключевую роль в статистике мод или нет.[нужна цитата]

Недавние исследования[нужна цитата] показывают, что эти процессы слабой локализации не являются определяющим явлением для возникновения случайной генерации. Случайная генерация возникает при kl > 1.[нужна цитата] Это согласуется с экспериментальными данными.[нужна цитата] Несмотря на то, что путешествие света именно по «замкнутым контурам» могло бы интуитивно объяснить возникновение ограниченных пятен генерации, вопрос все еще остается открытым, например, процессы стимулированного излучения коррелируют с этими процессами.[нужна цитата]

Однако теория «предварительно сформированных полостей» не подтверждена.

Типичные количества усиливающей среды, необходимые для превышения порога генерации, сильно зависят от плотности рассеивателя.

Приложения

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 оптимальной температурой для субстрат для порошков наблюдается температура около 500 ° C. Это контрастирует с производством обычного лазерного кристалла при температурах, превышающих 700 ° C.

Использование случайных лазеров для изучения лазерного воздействия на вещества, которые не могут быть получены в виде однородных больших кристаллов, также было указано как потенциальное применение. Кроме того, в частотных диапазонах, где нет зеркал 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.[15] В 2015 году Луан и его коллеги выделили некоторые из них, сделав акцент на недавно продемонстрированных,[16] включая фотонный штрих-код, оптомикрофлюидику, оптические батареи, диагностику рака, биоизображение без спеклов, встроенный в кристалл случайный спектрометр, микроскопию / спектроскопию с временным разрешением, зондирование, идентификацию друга-врага и т. д. Кроме того, случайный лазер, естественно, обладает двумя ключевыми преимуществами , а именно, интенсивность лазерного уровня и широкоугольное излучение, которые являются взаимоисключающими в тепловых источниках света, светодиодах (СИД) и обычных лазерах. Считается, что случайный лазер является перспективным и перспективным источником освещения для лазерной подсветки.[17] и изображение без пятен.[18]

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ а б Ногинов М.А. Твердотельные случайные лазеры (Спрингер, Нью-Йорк, 2005). Дои:10.1007 / b106788.
  2. ^ а б N. Lawandy et al. "Воздействие лазера в сильно рассеивающих средах" Nature, 368, 436–438 (1994). Дои:10.1038 / 368436a0.
  3. ^ а б H. Cao et al. «Генерация ультрафиолетового излучения в резонаторах, образованных рассеянием в полупроводниковых поликристаллических пленках» Прил. Phys. Lett. 73, 3656–3658 (1998). Дои:10.1063/1.122853.
  4. ^ а б Турицын С.К. и соавт. Волоконный лазер со случайной распределенной обратной связью, Нац. Фотоника 4 (4), 231–235 (2010). Дои:10.1038 / nphoton.2010.4.
  5. ^ а б L. Sznitko, J. Mysliwiec, A. Miniewicz, "Роль полимеров в случайной генерации", J. Polym. Sci., B, Polym. Phys. 2015. Т. 53, № 14. С. 951–974. Дои:10.1002 / polb.23731.
  6. ^ Б. Реддинг, Х. Цао и М. А. Чома, "Лазерное изображение без пятен при случайном лазерном освещении", Новости оптики и фотоники 23 (12), 30 (2012) Дои:10.1364 / OPN.23.12.000030.
  7. ^ Пихлер, Кевин; Кюмайер, Маттиас; Бём, Джулиан; Брандстёттер, Андре; Амбихль, Филипп; Куль, Ульрих; Роттер, Стефан (21 марта 2019 г.). «Случайная анти-генерация через когерентное совершенное поглощение в неупорядоченной среде». Природа. 567 (7748): 351–355. Дои:10.1038 / s41586-019-0971-3. ISSN 0028-0836. PMID 30833737.
  8. ^ О. Зайцев, Л. Дейч, "Последние достижения в теории многомодовых случайных лазеров", Журн. Опт. 12 (2), 024001 (2010). Дои:10.1088/2040-8978/12/2/024001.
  9. ^ Консоли, А. и Лопес, К. Развязка усиления и обратной связи в когерентных случайных лазерах: эксперименты и моделирование. Sci. Отчет 16848 (2015). Дои:10.1038 / srep16848.
  10. ^ а б А. Консоли и К. Лопес "Режимы излучения случайных лазеров с пространственно локализованной обратной связью" Опт. Express 24, 10, 10912–10920 (2016). Дои:10.1364 / OE.24.010912.
  11. ^ Х. Цао, J.Y. Сюй, Ю. Лин, А.Л. Бурин, Э.В. Силинг, Сян Лю, Р.П.Х. Чанг "Случайные лазеры с когерентной обратной связью" IEEE J. Sel. Верхний. Quantum Electron. 9, 1, с. 111-119 https://doi.org/10.1109/JSTQE.2002.807975
  12. ^ М. Леонетти, К. Конти и К. Лопес "Переход с синхронизацией мод случайных лазеров" Nature Photonics 5, 615–617 (2011) Дои:10.1038 / nphoton.2011.217.
  13. ^ П. В. Андерсон «Отсутствие диффузии в некоторых случайных решетках» Phys. Ред. 109, 1492 (1958) Дои:10.1103 / PhysRev.109.1492.
  14. ^ А. Ф. Иоффе и А. Р. Регель "Некристаллические, аморфные и жидкие электронные полупроводники" Прогр. Полуконд. 4, 237–291 (1960)
  15. ^ Ногинов М.А., Твердотельные случайные лазеры, Springer, New York, 2005. (и ссылки в нем.)
  16. ^ Ф. Луан, Б. Гу, А. С. Л. Гомеш, К.-Т. Йонг, С. Вен, П. Н. Прасад. «Генерация в нанокомпозитных случайных средах». Нано сегодня 10 (2) (2015): 168–192. Дои:10.1016 / j.nantod.2015.02.006.
  17. ^ Чанг, Шу-Вэй; Ляо, Вэй-Чэн; Ляо, Ю-Мин; Линь, Хун-я; Линь, Ся-Ю; Линь, Вэй-Цзюй; Линь, Ши-Яо; Перумал, Пакиярадж; Хайдер, Голам (09.02.2018). "Белый случайный лазер". Научные отчеты. 8 (1): 2720. Bibcode:2018НатСР ... 8.2720C. Дои:10.1038 / с41598-018-21228-в. ISSN 2045-2322. ЧВК 5807428. PMID 29426912.
  18. ^ Реддинг, Брэндон; Choma, Michael A .; Цао, Хуэй (июнь 2012 г.). «Лазерное изображение без пятен с использованием случайного лазерного освещения». Природа Фотоника. 6 (6): 355–359. arXiv:1110.6860. Bibcode:2012НаФо ... 6..355R. Дои:10.1038 / nphoton.2012.90. ISSN 1749-4893. ЧВК 3932313. PMID 24570762.

внешние ссылки

  • Журнал оптики. Спецвыпуск: нано- и случайные лазеры. Февраль 2010 г. [1]