무작위 레이저

Random laser

무작위 레이저(RL)는 입자를 산란시켜 광학적 피드백을 제공하는 레이저를 말한다.[1]기존 레이저와 마찬가지로 광학적 증폭을 위해서는 게인 미디어가 필요하다.단, Fabry-Pérot 캐비티와 분산 피드백 레이저와는 반대로, 게인 매체 내부에서 공간적으로 분포될 수 있거나 분포할 수 없는 확산 요소에 의해 빛이 활성 영역에 국한되기 때문에 반사 표면이나 분산 주기 구조는 RLs에 사용되지 않는다.

무작위 레이저의 주요 아이디어는 잡지에 의해 광경로 길이를 늘리는 것인데, 이것은 단지 레이저로 오더된 미디어를 분산시키거나, 또는 레이저 활동 배경과 함께 잡지에 강한 국소화를 사용하는 것만으로 가능하다.

무작위 레이싱은 염료 및 산란 입자의 콜로이드 용액,[2] 반도체 분말,[3] 광섬유 및 폴리머와 같은 다양한 재료에서 보고되었다.[5]공간 일관성이 낮고 레이저 같은 에너지 변환 효율이 높은 출력 방출로 인해 RLs는 에너지 효율적인 조명 적용을 위한 매력적인 장치다.[6]무작위 레이싱의 개념도 시간 역전이 가능해 무작위 안티레이저가 발생할 수 있는데,[7] 이는 들어오는 일관성 있는 방사선을 완벽하게 흡수할 수 있는 흐트러진 매개체다.

작동 원리

(a) Fabry Perot 레이저 (b) DFB 레이저 (c) RL (d) RL (d) 공간적 분산 피드백 (d) RL)의 개략적 설명

RLs 운용 원칙은 주로 논의되어 왔으며 다른 이론적 접근방식이 보고되었다( 참조).기존 레이저와 마찬가지로 RL의 주요 요소는 증폭과 피드백이며, 여기서 증폭은 펌핑된 이득 매체에 의해, 그리고 산란 입자에 의해 피드백이 주어진다.

분산 피드백은 산란 입자가 내장되어 [1][2][3][4][5]게인 매체에 무작위로 분포하는 가장 일반적으로 사용되는 구조다.분산 피드백과는 반대로, 공간적으로 국부화된 피드백 RLs에서 이득과 피드백은 피드백 요소와 출력 쿠플러의 역할을 하는 산란 매체에 의해 제한되는 이득 매체로 공간적으로 분리된다.[9][10]

두 아키텍처 모두 파장 수가 정수인 폐쇄 루프가 발생하면 공명 및 래싱 모드가 존재한다.산란 입자는 입사파에 무작위(예측할 수 없는) 위상 기여를 추가한다.흩어진 파동이 전파되어 다시 흩어지며 랜덤 위상 기여가 더해진다.폐쇄 루프에서 모든 위상 기여가 특정 주파수에서 2㎛의 정수 배수에 합치면 주파수 모드는 해당 주파수에서 존재할 수 있다.

방출 방식

첫 보고 이후, RLs에서 두 개의 다른 스펙트럼 서명이 관찰되었다.몇 나노미터의 FWHM을 가진 단일 정점 스펙트럼으로 특징지어지는 비저항 방출(일명 일관성 없는 또는 진폭 전용 방출)과 주파수로 무작위로 분포된 하위 나노미터 선폭을 가진 다수의 좁은 피크가 특징인 공명 방출(일명 일관성 있는 방출)이다.

이전의 명명법은 공진체계에서 관측된 나노미터 이하의 선폭에 대한 날카로운 공명들이 광학상으로부터 모종의 기여를 시사하는 반면 비보전체계는 증폭된 광자 사이에 고정된 위상 관계가 없는 산란된 빛의 증폭으로 이해되기 때문에 현상의 해석에 기인한다.[11]

일반적으로, 두 가지 작동 방식은 분산 피드백 RL에서 확산 요소의 산란 특성 때문에 기인한다. 즉, 약하게(높게) 산란 매질이며, 방출 파장은 (비교적) 비재배성(리소넌트) 무작위 레이싱 방출을 (비교적)보다 훨씬 큰 운송을 의미한다.

최근에는 사용 중인 소재뿐만 아니라 펌프의 크기와 형태에 따라 운영체제가 달라진다는 것이 입증됐다.[10][12]이는 비보전적 체계가 실제로 공간과 주파수가 겹치고 서로 강하게 결합되는 다수의 좁은 모드로 구성되며, 게인 곡선에 비해 FWHM이 좁아지고 자연방출을 증폭시키는 단일 정점 스펙트럼으로 붕괴된다는 것을 시사했다.공명정대에서는 흥분하는 모드가 적고, 이득을 위해 서로 경쟁하지 않으며, 서로 결합하지 않는다.

앤더슨 현지화

앤더슨 국산화(Anderson localization)는 전자가 흐트러진 금속 구조물에 갇힐 때 발생하는 잘 알려진 현상으로, 이 금속은 도체에서 절연체로 위상 전환을 거친다.[13]이 전자들은 앤더슨 국부적이라고 한다.이 국산화 조건은 금속(기타 전자, 스핀 등)에 산란자의 밀도가 높아 자유 전자가 하나의 루프 경로를 따르도록 하는 것이다.

광자와 전자의 유사성은 산란 매체를 통해 확산되는 광자도 앤더슨 국부화라고 볼 수 있다는 시각을 부추겼다.이에 따르면 광자파 벡터 k 대 광자파 벡터 k의 비율(무엇과도 충돌하지 않는 광자의 경로) l를 기술하는 Ioffe-Regel[14] 기준을 충족하면:l < 1), 광자가 앤더슨 국산화 아래에 갇히는 것이 관찰되는 것과 동일한 방식으로 광자가 갇힐 가능성이 있다.이런 식으로 광자가 갇혀 있는 동안 산란기는 광학 공동의 역할을 할 수도 있다.산란자가 거짓말을 하는 이득 매체는 자극적인 배출을 발생시킬 것이다.일반 레이저와 마찬가지로 이득이 발생한 손실보다 클 경우, 라싱 임계값이 깨지고 라싱이 발생할 수 있다.

이 고리를 여행하는 광자도 서로 간섭할 것이다.잘 정의된 공동 길이(1~10μm)는 간섭이 건설적이라는 것을 보장하며 특정 모드가 진동할 수 있도록 한다.득점을 위한 경쟁은 일단 래싱 문턱에 도달하면 하나의 모드가 진동하는 것을 허용한다.

무작위-레이저 이론

그러나 이론은 무작위 매체를 증폭하는 다중 산란에는 간섭의 계산이 그 사실을 입증하는 데 필수적임에도 불구하고 빛의 국산화 작용이 전혀 일어나지 않는다는 것을 보여준다.반대로, 소위 약한 지역화 프로세스는 증명될 수 있지만, 그러한 메커니즘이 모드 통계에서 핵심적인 역할을 하는지 여부에 대해서는 생생하게 논의된다.[citation needed]

최근의 연구는[citation needed] 이러한 취약한 국산화 과정이 무작위 레이싱의 시작에 대한 지배 현상이 아니라는 것을 보여준다.무작위 레이싱은 kl > 1에 발생한다.[citation needed]이것은 실험적인 발견과 일치한다.[citation needed]정확히 "폐쇄 루프"에서 빛의 이동은 밀폐된 래싱 스폿의 발생을 직관적으로 설명할 수 있지만, 자극된 방출 프로세스가 그러한 프로세스와 상관관계가 있는지 여부는 여전히 의문이다.[citation needed]

그러나 '기형 충치' 이론은 확정되지 않았다.

래싱 임계값을 초과하는데 필요한 일반적인 이득 매질의 양은 산란기 밀도에 크게 의존한다.

적용들

이 분야는 상대적으로 어리기 때문에 실현된 응용 프로그램이 많지 않다.그러나 ZnO 기반의 랜덤 레이저는 전기 펌프 UV 레이저, 바이오센서, 광학 정보 처리 분야에서 유망한 후보들이다.이는 생산원가가 낮고, 기판생산의 최적온도가 분말의 경우 약 500℃로 관측되었기 때문이다.700℃를 넘는 온도에서 일반 레이저 크리스털을 생산하는 것과는 대조적이다.

균질한 큰 결정의 형태로 생산될 수 없는 물질에 레이저 작용 연구를 위한 무작위 레이저의 사용도 잠재적인 응용으로 지적되어 왔다.또한 고반사성 미러를 사용할 수 없는 주파수 범위(예: 감마선, X선)에서는 적절한 산란 매체가 제공하는 피드백을 레이저 작용의 대안으로 사용할 수 있다.2005년 이전에 제안된 이 신청서들 중 상당수는 이미 노기노프에 의해 검토되었다.[15]2015년 루안과 동료들은 광학 바코드, 광학 유체학, 광학 배터리, 암 진단, 반점 없는 생체 이미징, 온칩 무작위 분광계, 시간 분해 현미경/스펙트럼 검사, 감지, 친구-foe 식별 [16]등 최근 입증된 것들을 강조하면서 이들 중 일부를 강조하였다.더욱이 무작위 레이저에는 두 가지 주요 우위, 즉 열광원, 발광다이오드(LED), 전형적인 레이저에서 상호 배타적인 레이저 수준의 강도와 광각방사선 방출이 자연스레 부여된다.무작위 레이저는 레이저 조명과 [17]반점 없는 영상 촬영의 유망하고 진보된 광원이라고 여겨진다.[18]

참고 항목

참조

  1. ^ a b M. A. 노기노프 솔리드 스테이트 랜덤 레이저 (Springer, New York, 2005)doi:10.1007/b106788.
  2. ^ a b N. 로앤디 외"강력하게 산란하는 매체에서의 레이저 작용" 네이처, 368, 436–438 (1994년).doi:10.1038/368436a0.
  3. ^ a b H. Cao 등."반도체 폴리크리스탈린 필름에 산란으로 형성된 공명기의 자외선 차단제" Appl.Let. 73, 3656–3658 (1998년)doi:10.1063/1.122853.
  4. ^ a b S. K. 투리친 외"랜덤 분산 피드백 파이버 레이저," NAT광학 4(4), 231–235(2010)doi:10.1038/nphoton.2010.4.
  5. ^ a b L. Sznitko, J. Mysliwiec, A.Miniewicz, "임의의 레이싱에서 폴리머의 역할," J. Polym.Sci, B, Polym.물리적 53(14), 951–974(2015).doi:10.1002/polb.23731.
  6. ^ B. 레딩, H. Cao, M. A. Choma, "임의 레이저 조명을 이용한 스펠 프리 레이저 영상", 광학 & 광학 뉴스 23(12), 30(2012) doi:10.1364/OPN.23.12.0030.
  7. ^ Pichler, Kevin; Kühmayer, Matthias; Böhm, Julian; Brandstötter, Andre; Ambichl, Philipp; Kuhl, Ulrich; Rotter, Stefan (2019-03-21). "Random anti-lasing through coherent perfect absorption in a disordered medium". Nature. 567 (7748): 351–355. Bibcode:2019Natur.567..351P. doi:10.1038/s41586-019-0971-3. ISSN 0028-0836. PMID 30833737. S2CID 71144725.
  8. ^ O. 자이체프와 L.Deych, "Multimode Random Laser 이론의 최근 발전", J. Opt. 12(2), 024001(2010)doi:10.1088/2040-8978/12/2/024001.
  9. ^ Consori, A. & Lopez, C.일관된 무작위 레이저에서 이득과 피드백을 분리: 실험과 시뮬레이션.sci. 16848 (2015년)doi:10.1038/srep148.
  10. ^ a b A. Consori와 C.로페즈 "공간적으로 국부적인 피드백을 가진 무작위 레이저의 배출 시스템" Opt.익스프레스 24, 10, 10912–10920(2016).doi:10.1364/OE.24.010912.
  11. ^ H. Cao, J.Y. Su, Y. Ling, A.L. Burin, E.W. Seeling, 샹 류, R.P.H 장 "일관성 피드백이 있는 무작위 레이저" IEEE J. Sel.상단. 양자 전자. 9, 1, 페이지 111-118 https://doi.org/10.1109/JSTQE.2002.807975
  12. ^ M. 레오네티, C.콘티와 C.로페즈 "임의 레이저의 모드 잠금 전환" 네이처 포토닉스 5, 615–617(2011) 도이:10.1038/nphoton.10.217.
  13. ^ P. W. 앤더슨 '특정 무작위 래티에서의 확산' 물리적.109조, 1492조 (1958) doi:10.1103/PhysRev.109.1492.
  14. ^ A. F. Ioffe와 A. R. Regel "비결정성, 무정형, 액상형 전자 반도체" Prog.세미콘드 4, 237–291 (1960)
  15. ^ M. A. 노기노프, 솔리드 스테이트 랜덤 레이저, 스프링거, 뉴욕, 2005. (그리고 거기서 참조).
  16. ^ F. 루안, B.Gu, A. S. L. Gomes, K.-T.용, S.원, P. N. 프라사드."나노콤포사이트 랜덤 미디어에 저장"Nano Today 10(2) (2015): 168–192. doi:10.1016/j.nantod.2015.02.006.
  17. ^ Chang, Shu-Wei; Liao, Wei-Cheng; Liao, Yu-Ming; Lin, Hung-I; Lin, Hsia-Yu; Lin, Wei-Ju; Lin, Shih-Yao; Perumal, Packiyaraj; Haider, Golam (2018-02-09). "A White Random Laser". Scientific Reports. 8 (1): 2720. Bibcode:2018NatSR...8.2720C. doi:10.1038/s41598-018-21228-w. ISSN 2045-2322. PMC 5807428. PMID 29426912.
  18. ^ Redding, Brandon; Choma, Michael A.; Cao, Hui (June 2012). "Speckle-free laser imaging using random laser illumination". Nature Photonics. 6 (6): 355–359. arXiv:1110.6860. Bibcode:2012NaPho...6..355R. doi:10.1038/nphoton.2012.90. ISSN 1749-4893. PMC 3932313. PMID 24570762.

외부 링크

  • 광학 저널특별한 이슈: 나노 및 랜덤 레이저.2010년 2월 [1]