Laser aleatório - Random laser
Um laser aleatório (RL) é um laser em que o feedback óptico é fornecido por partículas dispersas . Como nos lasers convencionais, um meio de ganho é necessário para a amplificação óptica. No entanto, ao contrário das cavidades de Fabry-Pérot e do laser de feedback distribuído , nem as superfícies reflexivas nem as estruturas periódicas distribuídas são usadas em RLs, pois a luz é confinada em uma região ativa por elementos difusivos que podem ou não podem ser espacialmente distribuídos dentro do meio de ganho .
O laser aleatório foi relatado a partir de uma grande variedade de materiais, por exemplo, soluções coloidais de corante e partículas de dispersão, pós semicondutores, fibras ópticas e polímeros. Devido à emissão de saída com baixa coerência espacial e eficiência de conversão de energia semelhante a laser, os RLs são dispositivos atraentes para aplicações de iluminação com eficiência energética. O conceito de lasing aleatório também pode ser revertido no tempo, resultando em um anti-laser aleatório, que é um meio desordenado que pode absorver perfeitamente a radiação coerente que chega .
Princípios de operação
O princípio de operação dos RLs foi amplamente debatido e diferentes abordagens teóricas foram relatadas (ver referências em). Os principais elementos de um RL, como nos lasers convencionais, são a amplificação e o feedback, onde a amplificação é dada pelo meio de ganho bombeado e o feedback pelas partículas de espalhamento.
O feedback distribuído é a arquitetura mais comumente usada, na qual as partículas de dispersão são incorporadas e distribuídas aleatoriamente no meio de ganho. Oposto ao feedback distribuído, em RLs de feedback espacialmente localizado, o ganho e o feedback são separados espacialmente com o meio de ganho confinado pelos meios de espalhamento, que atuam como elementos de feedback e acopladores de saída.
Em ambas as arquiteturas, existem ressonâncias e modos de laser se ocorrerem loops fechados com um número inteiro de comprimentos de onda. Uma partícula de espalhamento adiciona uma contribuição de fase aleatória (imprevisível) à onda incidente. A onda espalhada se propaga e é espalhada novamente, adicionando mais contribuições de fase aleatórias. Se todas as contribuições de fase em um loop fechado somam um múltiplo inteiro de 2π em uma certa frequência, um modo de frequência pode existir nessa frequência.
Regimes de emissão
Desde os primeiros relatórios, duas assinaturas espectrais diferentes foram observadas de RLs. A emissão não ressonante (também referida como emissão incoerente ou apenas amplitude ) caracterizada por um único espectro de pico com um FWHM de poucos nanômetros, e a emissão ressonante (também referida como emissão coerente ), caracterizada por múltiplos picos estreitos com sub-nanômetro larguras de linha , distribuídas aleatoriamente em frequência.
A nomenclatura anterior se deve à interpretação dos fenômenos, pois as ressonâncias nítidas com larguras de linha sub-nanométricas observadas em regime ressonante sugeriram algum tipo de contribuição da fase óptica enquanto o regime não ressonante é entendido como amplificação de luz espalhada sem fase fixa relação entre fótons amplificados.
Em geral, os dois regimes de operação são atribuídos às propriedades de espalhamento do elemento difusivo em RLs de realimentação distribuída: um meio de espalhamento fraco (altamente), tendo um caminho livre médio de transporte muito maior do que (comparável a) o comprimento de onda de emissão produz um não -emissão de lasing aleatória ressonante ( ressonante ).
Recentemente, foi demonstrado que o regime de operação depende não apenas do material em uso, mas também do tamanho e da forma da bomba. Isso sugeriu que o regime não ressonante consiste, na verdade, em um grande número de modos estreitos que se sobrepõem no espaço e na frequência e são fortemente acoplados, colapsando em um único espectro de pico com FWHM estreito em comparação com a curva de ganho e a emissão espontânea amplificada . No regime ressonante , menos modos são excitados, eles não competem entre si pelo ganho e não se acoplam.
Localização de Anderson
A localização de Anderson é um fenômeno bem conhecido que ocorre quando os elétrons ficam presos em uma estrutura metálica desordenada , e esse metal passa por uma transição de fase de condutor para isolante . Diz-se que esses elétrons são localizados por Anderson. As condições para essa localização são que haja uma densidade alta o suficiente de dispersores no metal (outros elétrons, spins , etc.) para fazer com que os elétrons livres sigam um único caminho em loop.
A analogia entre fótons e elétrons encorajou a visão de que fótons se difundindo através de um meio de espalhamento também podem ser considerados localizados por Anderson. De acordo com isso, se o critério Ioffe-Regel, que descreve a proporção do vetor de onda do fóton k para significar o caminho livre (de um fóton não colidindo com nada) l , é encontrado: kl <1, então há uma probabilidade de que os fótons irão ficam presos da mesma forma que os elétrons ficam presos na localização de Anderson. Dessa forma, enquanto o fóton está preso, os dispersores podem atuar como uma cavidade óptica. O meio de ganho no qual os dispersores se encontram permitirá que ocorra a emissão estimulada. Como em um laser comum, se o ganho for maior do que as perdas incorridas, o limite do laser será quebrado e o laser poderá ocorrer.
Os fótons que viajam neste loop também interferem uns com os outros. O comprimento da cavidade bem definido (1–10 µm) garantirá que a interferência seja construtiva e permitirá que certos modos oscilem. A competição por ganho permite que um modo oscile uma vez que o limite de laser tenha sido alcançado.
Teoria do laser aleatório
A teoria, no entanto, mostra que para o espalhamento múltiplo na amplificação de meios aleatórios de Anderson, a localização da luz não ocorre de forma alguma, embora o cálculo das interferências seja essencial para comprovar esse fato. Ao contrário, os chamados processos de localização fraca podem ser comprovados, mas é vividamente discutido, se esses mecanismos desempenham um papel chave nas estatísticas de modo ou não.
Estudos recentes mostram que esses processos de localização fraca não são os fenômenos governantes para o início do laser aleatório. O lasing aleatório ocorre para kl > 1. Isso está de acordo com os achados experimentais. Mesmo que viajar de luz exatamente em "loops fechados" explicaria a ocorrência de pontos emissores confinados intuitivamente, a questão ainda está aberta se, por exemplo, os processos de emissão estimulados estão correlacionados com esses processos.
A teoria das "cavidades pré-formadas", entretanto, não foi confirmada.
As quantidades típicas de meio de ganho necessárias para exceder o limite de laser dependem muito da densidade do dispersor.
Formulários
Este campo é relativamente novo e, como tal, não tem muitas aplicações realizadas. No entanto, lasers aleatórios baseados em ZnO são candidatos promissores para lasers UV eletricamente bombeados, biossensores e processamento óptico de informações. Isso se deve ao baixo custo de produção e que a temperatura ótima para a produção do substrato foi observada em torno de 500 ° C para os pós. Isso contrasta com a produção de um cristal laser comum em temperaturas superiores a 700 ° C.
O uso de lasers aleatórios para o estudo da ação do laser em substâncias que não poderiam ser produzidas na forma de grandes cristais homogêneos também tem sido apontado como uma aplicação potencial. Além disso, em faixas de frequência onde espelhos de alta refletividade não estão disponíveis (por exemplo, raios gama, raios X), o feedback fornecido por um meio de espalhamento apropriado pode ser usado como uma alternativa à ação do laser. Muitos desses aplicativos propostos antes de 2005 já foram analisados por Noginov. Em 2015, Luan e colegas de trabalho destacaram alguns deles, com ênfase nos recentemente demonstrados, incluindo código de barras fotônico, optomicrofluídicos, baterias ópticas, diagnóstico de câncer, bioimagem sem manchas, espectrômetro aleatório on-chip, microscopia resolvida no tempo / espectroscopia, detecção, identificação de amigo-inimigo, etc. Além disso, o laser aleatório é naturalmente dotado de duas superioridades principais, a saber, intensidade de nível de laser e emissões angulares amplas, que são mutuamente exclusivas em fontes de luz térmica, diodos emissores de luz ( LEDs) e lasers típicos. Acredita-se que o laser aleatório é uma fonte de iluminação promissora e avançada para iluminação a laser e imagens sem manchas.
Veja também
Referências
links externos
- Journal of Optics. Edição especial: lasers nano e aleatórios. Fevereiro de 2010 [1]