Физики научили случайные лазеры собираться по требованию

Британские физики продемонстрировали технологию самосборки коллоидных частиц в структуры, способные к случайной лазерной генерации. Особенность такого подхода в том, что случайные лазеры возникают и исчезают вокруг дополнительных композитных (янусовских) частиц в зависимости от того, включена ли их тепловая накачка. Правильная расстановка нескольких таких частиц Януса позволяет смещать область лазерной генерации и создавать источники света произвольной геометрии. Исследование опубликовано в Nature Physics.

Самоорганизацией называют спонтанное возникновение структуры, в которой порядок простирается на расстояния, большие, чем масштаб взаимодействия двух соседних элементов. Она играет важную роль в биологических процессах как на самом базовом, молекулярном уровне, так и на уровне группы особей. Инженеры и ученые также освоили самосборку частиц и используют ее для 3D-биопечати, сборки молекулярных многогранников и коллоидных фотонных материалов.

Последний тип материалов интересен тем, что размер отдельных элементов в них часто сопоставим с длиной волны света. В ряде случаев это приводит сильному рассеянию света, из-за чего испущенный внутри них свет проходит в среде большое расстояние, прежде чем покинет материал. Не так давно физики догадались использовать это свойство вместе с оптическим усилением, что привело к изобретению случайных лазеров.

Если в обычном лазере свет возвращается в активную среду, и потому усиливается, благодаря зеркалам, то здесь работает диффузный механизм, а потому работа этих источников света менее подвержена возмущениям. Специфические когерентные и пространственные свойства света, испускаемого случайными лазерами, сделали их полезными в спектроскопии сверхвысокого разрешения и сенсорах. К их недостаткам можно отнести невозможность перестройки свойств после изготовления.

Преодолеть эту трудность вызвалась группа британских физиков под руководством Риккардо Сапиенца (Riccardo Sapienza) из Имперского колледжа Лондона  и Джорджио Вольпе (Giorgio Volpe) из Университетского колледжа Лондона. Для этого они использовали свойство коллоидных ансамблей к самоорганизации по требованию под действием внешнего источника энергии. Собирая и разбирая такие структуры, авторы могли включать и выключать образующийся случайный лазер, а также переносить лазерную генерацию с места на место и конфигурировать ее геометрические свойства.

В своем опыте физики использовали коллоидный раствор частиц диоксида титана со средним радиусом 0,915 микрометров, свободно плавающих в этаноле с примесью родаминовых красителей, заполняющем плоскую кювету. Они также добавляли в раствор композитные частицы (частицы Януса), представляющие собой сферы из диоксида кремния радиусом 4,22 микрометра, наполовину покрытые 60-нанометровым слоем углерода. Такие частицы интересны тем, что при облучении их светом непрерывного гелий-неонового лазера на длине волны 632,8 нанометра они переворачиваются покрытием вниз и притягивают к себе коллоидные частицы с помощью сил, вызванных температурным градиентом. Авторы следили за влиянием самосборки на флуоресценцию красителя, накачиваемого другим лазером на длине волны 532 нанометра.

Процесс самоорганизации частиц диоксида титана вокруг частицы Януса не мгновенный. Температура падает с расстоянием от центра частицы Януса по обратному закону. Моделирование показало, что скорость, с которой частицы тянутся к области высокой температуры, спадает из-за этого по закону обратного квадрата от расстояния. Поэтому в эксперименте нужная концентрация коллоидных частиц была достигнута лишь через 43 минуты.

О том, что система стала переизлучать свет в режиме случайного лазера, физики узнали, отслеживая зависимости интенсивности и спектральной ширины отклика от интенсивности накачки. В момент образования лазера первая перешла в сверхлинейный режим, а вторая испытала резкое уменьшение. Качественный переход произошел при преодолении интенсивности накачки в 70 миллиджоуль на квадратный сантиметр.

Эксперименты с лазерной генерацией показали, что она включается и выключается по мере того, как частицы накапливаются до нужной концентрации в пределах некоторого критического радиуса. После выключения нагревающего лазера, структура рассасывается, и флуоресценция переходит в некогерентный режим. Повторное же создание градиента температуры снова собирает случайный лазер.

Ученые продемонстрировали гибкость предложенной технологии, включив в схему несколько частиц Януса. Поочередный нагрев заставил коллоидные частицы мигрировать с места на место, унося с собой источник лазерного света. Одновременный же нагрев позволил формировать различные геометрические фигуры в зависимости от того, сколько в кювете частиц Януса и как они расположены. 

Такой подход будет полезен для задач, где требуется адаптация лазерного источника под форму мишени. Кроме того, на основе предложенной технологии в перспективе можно создавать дисплеи и электронные чернила, однако для этого нужно будет ускорить самосборку и саморазборку. Авторы предполагают, что для этого нужно использовать самоорганизацию в трехмерные лазеры с помощью дополнительных оптических или электрических сил.

Недавно мы рассказывали, как самосборка капель, на которые разбивается струя, помогает создавать капельные кристаллы.

Марат Хамадеев