Ein Forscherteam der University of California Los Angeles (UCLA) und des Max-Born-Instituts veröffentlichte eine Studie, die die Verwendung von Stickstoff und Argon zur Erzeugung von Laserlicht demonstriert.
Ein Forscherteam der University of California Los Angeles (UCLA) und des Max-Born-Instituts hat eine Studie veröffentlicht, die die Verwendung von Stickstoff und Argon zur Erzeugung von Laserlicht demonstriert. Die Studie baut auf jahrzehntelanger Forschung auf dem Gebiet der Entwicklung von Freiluftlasern auf, die eines Tages zur Verbesserung von Sensoren, Robotik und vielem mehr beitragen könnten.
Das müssen Sie wissen.
Lasertechnologie
Jahrzehntelang bestand die primäre Funktionsweise von Lasern darin, einen Lichtstrahl durch einen optischen Hohlraum auf ein Spiegelpaar zu schießen. Diese Spiegel sind so konstruiert und abgewinkelt, dass das Licht zwischen den Geräten hin und her reflektiert werden kann. Dieser Sprungvorgang verstärkt die Intensität dieses Lichts und erzeugt den fokussierten Strahl, den Sie sehen.
Open-Air-Laser
Seit Beginn der Laserforschung haben Ingenieure versucht, Laserlicht ohne den Einsatz von Verstärkungshohlräumen und Spiegeln zu erzeugen. Innerhalb dieser Forschung gibt es eine Untergruppe von Ingenieuren, die die Entwicklung von Freiluftlasern anstreben. Diese Geräte nutzen Wechselwirkungen zwischen Partikeln, die durch intensives Licht angeregt werden, um Laserlicht zu erzeugen. Bis vor Kurzem war dieses wissenschaftliche Konzept nicht möglich. Es scheint jedoch, dass sich das Blatt nach der Veröffentlichung dieser aktuellen Studie geändert hat.
Stickstoff-Argon-Laserstudie unter freiem Himmel
Die Studie befasst sich mit der Verwendung von Stickstoff- und Argonmischungen, um hohlraumfreies Lasern in atmosphärischer Luft zu induzieren. Die in Physical Review Letters veröffentlichte Studie stellt das Konzept und ein Arbeitsmodell vor, das eine photonenvermittelte Energieübertragung zwischen N2 und Ar bewerkstelligte, was zu einer Superfluoreszenzreaktion führte.
Die Forschung des Teams befasst sich mit vielen verschiedenen Konzepten, da die Umgebungsluft verschiedene Komponenten enthält, die eine Superfluoreszenzreaktion hervorrufen könnten. Um zu verifizieren, dass Argon und Stickstoff die aktiven Komponenten der Reaktion waren, musste das Team die Kopplung der beiden in einer sauerstoffstabilen Umgebung überwachen. Die Tests brachten einige interessante Ergebnisse zutage, darunter bidirektionale Lasereffekte, die den Beginn einer Vielzahl neuer wissenschaftlicher Experimente ermöglichten.
Laser im Freien – Testen
Die Tests begannen damit, dass Ingenieure einen 261-nm-Pumplaser zur Anregung der Gase verwendeten. Ziel war es, ein tieferes Verständnis dafür zu gewinnen, warum die Ionisierungsrate des Argongemischs abnimmt. Dieser Test führte dazu, dass sich die Ingenieure auf die 3-Photonen-Resonanzabsorption von 261-nm-Photonen in Ar konzentrierten. Hier entdeckten sie einen direkten Zusammenhang mit dem bidirektionalen Lasereffekt.
Dieser bidirektionale kaskadierende Lasereffekt wurde mit verschiedenen Parametern getestet, um sicherzustellen, dass die Details der Umwandlung aufgezeichnet wurden. Der Test ergab, dass das Mischen von Stickstoff mit Argon die gewünschte Reaktion hervorrief, während andere Mischungen keinen bidirektionalen Laserlichtimpuls erzeugten. Das Heranzoomen ergab, dass die 3-Photonen-Absorption von 261-nm-Photonen durch Ar-Atome speziell die Emission kaskadierter Superfluoreszenz erzeugt. Diese Entdeckung war eine wichtige Entdeckung, da bisher nicht bekannt war, dass ein photonenvermittelter Mechanismus, der Energie von N2 auf Ar überträgt, möglich ist.
Die nächsten Schritte begannen mit der Frequenzprüfung. Die Forscher wechselten zwischen verschiedenen Frequenzen, bis sie bemerkten, dass Stickstoffmoleküle in einem elektronisch angeregten Zustand eine nichtlineare 3-Photonen-Absorption zeigen, wenn sie 261 nm lang Argon ausgesetzt werden, das bei einer leicht anderen Frequenz resoniert. Diese Daten wurden dann gesammelt, um neue Formeln zur Modellierung zukünftiger Experimente zu erstellen.
Ergebnisse
Die Studie zeigt einige vielversprechende Ergebnisse, die die Laser-Community auf den Kopf stellen könnten. Zum einen gelang es dem Team, bidirektionale, kaskadierte Dauereffekte in der atmosphärischen Luft zu erzeugen. Konkret konnten die Ingenieure zwei farbige, bidirektionale Laser mithilfe einer hohlraumfreien Freiluftanordnung erzeugen.
Die Forschung wirft auch Licht auf einige unerwartete Entdeckungen. Zum einen stellte das Team fest, dass die Menge an Sauerstoff, die während der Mischung verwendet wurde, die Wechselwirkung zwischen den Argon- und Stickstoffmolekülen beeinflusste. Ihre Forschung zeigt, dass eine 1-prozentige O2-Mischung ideal für eine hohlraumfreie, bidirektionale und laserähnliche Emission ist.
Vorteile von Open-Air-Lasern
Diese Technologie bringt dem Markt mehrere Vorteile. Einerseits ermöglicht es die Herstellung von Lasern mit weniger mechanischen Teilen. Die Produktion von Freiluftlasern wird einen geringeren technischen und fertigungstechnischen Aufwand erfordern. Diese geringeren Kosten führen zu mehr Anwendungsfällen.
Stabilität
Der Einsatz von Spiegeln in heutigen Lasern ist eine ihrer größten Schwächen. Diese winzigen Geräte müssen perfekt kalibriert und ausgerichtet werden, um den erwarteten Lichtstrahl zu erzeugen. Jede kleine Abweichung von der ursprünglichen Kalibrierung des Geräts kann dazu führen, dass das Gerät unbrauchbar wird. Da der Einsatz von Lasern immer mehr in großen kommerziellen und militärischen Anwendungen zum Einsatz kommt, besteht eine starke Nachfrage nach Lasern mit weniger beweglichen Komponenten. Stickstoff-Argon-Laser sind eine intelligente Lösung.
Leichtes Gewicht
Die Verwendung von leichtem Argon und Stickstoff trägt dazu bei, das Gesamtgewicht künftiger Laser zu reduzieren. Laser werden bereits in vielen mikroskopischen Geräten eingesetzt. Aufgrund der Möglichkeiten des Herstellers, die Kernkomponenten zu verkleinern, sind ihre Einsatzmöglichkeiten jedoch begrenzt. Ein Argon-basiertes System würde viel weniger Platz benötigen und weniger wiegen. Als solche könnten sie dazu beitragen, die Raumfahrt der nächsten Generation, Nanotechnologie und vieles mehr voranzutreiben.
Potenzielle Einsatzmöglichkeiten
Es gibt viele Anwendungen für diese neue Art von Laserlicht. Von der Überwachung und
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