Войти
A Случайный лазер (RL) - это лазер, в котором оптическая обратная связь обеспечивается рассеивающими частицами. Как и в обычных лазерах, для оптического усиления требуется усиливающая среда . Однако, в отличие от резонаторов Фабри – Перо и лазера с распределенной обратной связью, в RL не используются ни отражающие поверхности, ни распределенные периодические структуры, поскольку свет ограничивается в активной области рассеивающими элементами, которые либо могут или не могут быть пространственно распределены внутри усиливающей среды.
Сообщалось о случайной генерации из большого количества различных материалов, например коллоидные растворы красителей и рассеивающих частиц, порошки полупроводников, оптические волокна и полимеры. Из-за выходного излучения с низкой пространственной когерентностью и эффективности преобразования энергии, подобной лазерной, RL являются привлекательными устройствами для применения в энергоэффективном освещении. Концепция случайной генерации также может быть обращена во времени, что приводит к случайному антилазу, который представляет собой неупорядоченную среду, которая может идеально поглощать приходящее когерентное излучение.
Схематическое описание (a) Лазер Фабри Перо (b) DFB-лазер (c) RL с пространственно локализованной обратной связью (d) RL с пространственно распределенной обратной связью Принцип работы RL в значительной степени обсуждался, и были описаны различные теоретические подходы (см. ссылки в). Основными элементами RL, как и в обычных лазерах, являются усиление и обратная связь, где усиление обеспечивается за счет накачиваемой усиливающей среды и обратной связи за счет рассеивающих частиц.
Распределенная обратная связь - это наиболее часто используемая архитектура, в которой 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 рассеивающей средой, которая действует как элементы обратной связи и выходные элементы связи.
В обеих архитектурах существуют резонансы и режимы генерации 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 вклады фазы в замкнутом контуре суммируются до целого числа, кратного 2π на определенной частоте, на этой частоте допускается существование частотного режима.
Со времени первых отчетов были обнаружены две разные спектральные характеристики от RL. Нерезонансное излучение (также называемое некогерентным излучением или излучением только по амплитуде), характеризующееся одним пиковым спектром с FWHM в несколько нанометров, и резонансным излучением (также называемым когерентным излучением), характеризующимся множеством узкие пики с субнанометровой шириной линии, случайно распределенные по частоте.
Предыдущая номенклатура объясняется интерпретацией явления, поскольку резкие резонансы с субнанометровой шириной линии, наблюдаемые в резонансном режиме, предполагают некоторый вклад оптической фазы, в то время как нерезонансный режим понимается как усиление рассеянный свет без фиксированного фазового соотношения между усиленными фотонами.
В общем, два режима работы связаны с рассеивающими свойствами диффузионного элемента в RL с распределенной обратной связью: слабо (сильно) рассеивающая среда, имеющая транспортную длину свободного пробега много длина волны излучения больше (сравнима с ней) создает нерезонансное (резонансное) случайное лазерное излучение.
Недавно было продемонстрировано, что режим работы зависит не только от используемого материала, но также от размера и формы насоса. Это предполагает, что нерезонансный режим на самом деле состоит из большого количества узких мод, которые перекрываются в пространстве и по частоте и сильно связаны друг с другом, коллапсируя в единый пиковый спектр с суженной FWHM по сравнению с кривая усиления и усиленное спонтанное излучение. В резонансном режиме возбуждается меньше мод, они не конкурируют друг с другом за усиление и не соединяются вместе.
Локализация Андерсона - это хорошо известное явление, которое происходит, когда электроны захватываются в неупорядоченной металлической структуре, и этот металл уходит посредством фазового перехода от проводника к изолятору. Эти электроны считаются локализованными по Андерсону. Условия для этой локализации заключаются в том, что в металле имеется достаточно высокая плотность рассеивателей (другие электроны, спины и т. Д.), Чтобы заставить свободные электроны двигаться по единственной петлеобразной траектории.
Аналогия между фотонами и электронами подтолкнула к мысли, что фотоны, диффундирующие через рассеивающую среду, также можно считать локализованными по Андерсону. Согласно этому, если критерий Иоффе-Регеля, описывающий отношение фотона волнового вектора k к средней длине свободного пробега (фотона, не сталкивающегося ни с чем) l, выполняется: kl < 1, then there is a probability that photons will become trapped in much the same way as electrons are observed to be trapped under Anderson localization. In this way, while the photon is trapped, the scatters may act as an optical cavity. The gain medium in which the scatterers lie will allow stimulated emission to occur. As in an ordinary laser, if the gain is greater than the losses incurred, the lasing threshold will be broken and lasing can occur.
Фотоны, путешествующие по этой петле, также будут мешать друг другу. Четко определенная длина резонатора (1–10 мкм) гарантирует, что интерференция будет конструктивной и позволит определенным модам колебаться. Конкуренция за усиление позволяет одной моде колебаться после достижения порога генерации.
Однако теория показывает, что при многократном рассеянии в усиливающих случайных средах локализация света Андерсона вообще не происходит, даже несмотря на то, что расчет интерференции необходим для доказательства того, что факт. Напротив, так называемые процессы слабой локализации могут быть доказаны, но активно обсуждается, играют ли эти механизмы ключевую роль в статистике мод или нет.
Недавние исследования показывают, что эти процессы слабой локализации не являются определяющими. явления возникновения случайной генерации. Случайная генерация возникает при kl>1. Это согласуется с экспериментальными данными. Несмотря на то, что путешествие света именно по «замкнутым контурам» могло бы интуитивно объяснить возникновение замкнутых пятен генерации, вопрос все еще остается открытым, например, процессы стимулированного излучения коррелируют с этими процессами.
Теория «предварительно сформированных полостей», однако, не подтверждена.
Типичные количества усиливающей среды, необходимые для превышения порога генерации, сильно зависят от плотности рассеивателя.
Эта область относительно молода и поэтому не имеет большого количества реализованных приложений. Однако случайные лазеры на основе ZnO являются многообещающими кандидатами для УФ-лазеров с электрической накачкой, биосенсоров и оптической обработки информации. Это происходит из-за низкой стоимости производства и того, что оптимальная температура для производства подложки, по наблюдениям, составляет около 500 ° C для порошков. 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. В 2015 году Луан и его сотрудники выделили некоторые из них, сделав акцент на недавно продемонстрированных, включая фотонный штрих-код, оптомикрофлюидику, оптические батареи, диагностику рака, биоимиджинг без спеклов, встроенный в кристалл случайный спектрометр, микроскопию с временным разрешением / спектроскопия, зондирование, идентификация друга-врага и т. д. Кроме того, случайный лазер, естественно, наделен двумя ключевыми преимуществами, а именно интенсивностью лазерного уровня и широкоугольным излучением, которые являются взаимоисключающими в тепловых источниках света, светодиодах ( Светодиоды) и типовые лазеры. Считается, что случайный лазер является перспективным и перспективным источником освещения для лазерного освещения и формирования изображений без пятен.
