肥皂泡變激光

高級物理知識 2024-04-12 10:48:48

用肥皂泡可以制作激光器,實現高靈敏的傳感,來探測大氣壓力等環境參數的變化。

變換多彩的肥皂泡可以吸引孩子們好奇的目光,現在人們發現這些肥皂泡還有另一種令人“炫目”的用途——産生顔色可調的激光。研究表明,在肥皂溶液中混入某些染料並制造出氣泡,光就可以在球型液體膜中循環、放大並産生激光。激光會環繞氣泡形成一個亮環。這種“氣泡激光器”可以用作精密傳感,測量大氣壓力或電場的變化。

氣泡的魅力很大程度上來自于它們與光的相互作用。當肥皂泡在空氣中隨風飛舞時,它們五彩斑斓,閃閃發光,並隨著移動而變色。這種現象被稱爲虹彩,産生自肥皂泡液體膜表面的光波幹涉。

給泡泡戴上戒指:肥皂泡(左)和液晶泡(右)上出現激光發射環

研究還發現,激光可以在氣泡膜內傳播,並像閃電一樣産生細絲樣的分枝。數千根發光細絲中的每一根在傳播中都得到保持。這些觀察結果促使斯洛文尼亞約瑟夫·斯特凡研究所(Jožef Stefan Institute)和盧布爾雅那大學(University of Ljubljana)的Matjaž Humar和Zala Korenjak思索是否可以使用氣泡來産生激光。由于目前基于多種材料的球殼已經被用作激光腔,所以Humar說:“我想知道氣泡是否也可以通過類似的方式産生激光。”

爲了驗證這個想法,Humar和Korenjak使用普通的肥皂液與熒光染料混合做了一個氣泡器件,它被固定在毛細管的末端並用脈沖激光照射。然後,他們增加脈沖激光的強度,並監測氣泡發出的光譜。

在低照射強度下,兩人僅觀察到熒光,即發射出具有寬波長範圍的光。增加脈沖激光的強度後,Humar和Korenjak觀察到氣泡上有一圈明亮的光。當超過阈值時,他們檢測到氣泡發射光譜中産生了尖銳的峰,它與照射激光的強度相關。

激光器包含三個基本組成部分:能量源、光學諧振腔和增益介質。Humar說,脈沖激光提供能量,是能量源,氣泡的球狀膜充當諧振腔,染料則是增益介質。氣泡膜內的熒光沿著膜循環傳播,當路徑長度滿足特定波長的光在循環中可發生重疊時,這些波長的光就會增強,從而産生激光。

Humar指出,雖然這些實驗證明這個想法可行,但肥皂泡激光器並不實用。“水不斷從氣泡中蒸發,改變了它們的形狀、大小以及它們發出的光譜,”爲了獲得更穩定的激光器,他和Korenjak轉向近晶型液晶的氣泡,原則上這種氣泡可以“無限期地存在而沒有任何變化”。

他們表明可以通過向氣泡中添加空氣、改變電場或周圍大氣壓力等外部參數來調節液晶氣泡激光器發出的光的波長。所有這些因素都會影響氣泡的半徑,從而決定發射激光的波長。原理性驗證的測量表明,可以檢測到小至0.35 V/mm的電場和0.024 Pa的壓力變化。與某些現有傳感器相比,其靈敏度相當或甚至更好。對于壓力變化,氣泡具有顯著的寬範圍的敏感性。

法國巴黎高科-巴黎高等理工化工學校(ESPCI ParisTech)的液晶研究員Teresa Lopez-Leon表示:“氣泡的大小及其發射光譜可以通過氣泡的膨脹和收縮來動態改變,從而提供前所未有的可調性。”Lopez-Leon指出,以前是使用近晶型液晶的液滴而不是氣泡實現激光發射,氣泡非常薄的外殼賦予了它們獨特的機械和光學特性。他還提醒人們注意Humar和Korenjak制造液晶氣泡激光器非常輕松,且“它們是令人著迷的研究和應用體系”。

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