石鹸は長い間家庭の必需品でしたが、スロベニアの科学者たちはシャボン玉を小さなレーザーに変えるという石鹸の新たな用途を発見しました。ヨジェフ・ステファン研究所とリュブリャナ大学で働いている彼らは、直径数ミリメートルのシャボン玉を作ることから始めました。これらを蛍光色素と混合し、パルスレーザーで励起すると、泡が発光し始めました。気泡が発する光の波長はそのサイズに大きく反応するため、圧力や周囲の電場のわずかな変化を検出できる気泡レーザーセンサーへの道が開かれます。

レーザーには、利得媒体、利得媒体のエネルギー源、光共振器という 3 つの重要なコンポーネントが必要です。利得媒体は光を増幅します。これは、利得媒体に入るすべての光子に対して、複数の光子が出てくることを意味します。この現象は、利得媒体を共振器内 (たとえば 2 つのミラーの間やループ内) に配置することで利用でき、利得媒体から放出された光子が共振器を通過して戻り、増幅されたコヒーレントな光ビームが生成されます。

シャボン玉レーザーはまさにそれを実現します。それらを作るには、 マチャシュ・フマル そしてZala Korenjakは、標準的な石鹸溶液と蛍光染料を混合し、これが増幅媒体として機能します。気泡は毛細管の端で形成され、パルスレーザーで気泡を照射すると利得媒体がポンピングされます。利得媒体が生成する光は、共振器として機能するバブルの表面に沿って循環します。

気泡の出力を特徴付けるために、研究者らは分光計を使用して、気泡が生成する光の波長を測定した。システムが励起エネルギーの閾値に達した後でのみ、研究者らは気泡の波長スペクトルのピーク、つまりレーザー発振の重要なマーカーを確認します。

セントポール大聖堂からシャボン玉の表面まで

球から共振器を形成すること自体は新しいことではありません。球体、リング、トロイドに形成されたマイクロキャビティはすべてセンシングに用途を見出しており、ロンドンのセントポール大聖堂にある有名なささやきギャラリーにちなんでささやきギャラリーモード共振器として知られています。この大きな円形の部屋内では、部屋の湾曲した壁に沿って音波が効率的に誘導されるため、反対側の壁に向かって立っている 2 人の人は、ささやき声でもお互いの声を聞くことができます。

ほぼ同じ方法で、Humar 氏と Korenjak 氏は、レーザー内で光がシャボン玉の表面に沿って伝播し、シャボン玉の殻に明るい帯として現れることを発見しました。光がバブルの表面の周りを移動するときに干渉し、共振器の明確な「モード」を作成します。これらのモードは、バブルの波長スペクトルに規則的に配置された一連のピークとして現れます。

私のバブルを割らないでください

「固体の球状シェルを含む、レーザーキャビティとして使用されるマイクロ共振器は数多くあります」と Matjaž 氏は指摘します。 「しかし、シャボン玉はこれまで光空洞として研究されていませんでした。」

これは、石鹸で作られたバブルレーザーの実用性が限られていることも一因と考えられます。泡の表面から水が蒸発すると、泡の厚さは急速に変化し、最後にははじきます。

研究者らが追求したより実用的な解決策は、スメクチック液晶から泡を作ることだ。これらには水分が含まれておらず、通常は厚さ約 30 ～ 120 ナノメートル (nm) の非常に薄い泡が形成されます。これらのスメクティック バブル レーザーはより安定しており、ほぼ永久に存続できます。 Matjaž が説明するように、厚い泡 (石鹸によって生成されるものなど) は共振器内に多くのモードを許可し、その結果、波長スペクトル内に多くの重複するピークが生じる可能性があります。ただし、より薄い気泡 (200 nm 未満) では、共振器内で XNUMX つのモードしか許可されません。このシングルモード動作は、レーザー発振スペクトルの均一に分布したピークとして現れます。

研究者らは、バブルレーザーが発する波長は環境を変えることで調整できることを実証した。具体的には、周囲の圧力または電場を変化させると気泡のサイズが変化し、それによって共振器のサイズが変化し、ひいてはレーザー発光の波長が変化する。彼らが提示した測定結果は、スメクティック バブル レーザーが、0.35 V/mm の小さな電場と 0.024 Pa の圧力変化に敏感であることを示しており、これは一部の既存のセンサーと同等かそれ以上です。

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