Ein Mechanismus, der Energie von Stickstoff auf Argon überträgt, ermöglicht bidirektionales gestaffeltes Lasern in der atmosphärischen Luft

23. August 2024 Merkmal

Dieser Artikel wurde gemäß des wissenschaftlichen Prüfungsprozesses und den Richtlinien von Science X überprüft. Die Herausgeber haben die folgenden Eigenschaften hervorgehoben, während sie die Glaubwürdigkeit des Inhalts sicherstellten:

• faktengeprüft
• begutachtete Veröffentlichung
• vertrauenswürdige Quelle
• korrekturgelesen

von Ingrid Fadelli, Phys.org

Um Licht zu erzeugen, verlassen sich Laser normalerweise auf optische Kavitäten, also auf Paare von sich gegenüberliegenden Spiegeln, die Licht verstärken, indem es hin und her reflektiert wird. In letzter Zeit haben einige Physiker die Erzeugung von 'Laserlicht' in offener Luft ohne die Verwendung von optischen Kavitäten erforscht, ein Phänomen, das als kavitätenfreies Lasen in atmosphärischer Luft bekannt ist.

Forscher der University of California Los Angeles (UCLA) und des Max-Born-Instituts haben kürzlich einen physikalischen Mechanismus vorgestellt, der zu diesem Phänomen führt. Dieser Mechanismus, der in einem Artikel in Physical Review Letters skizziert wurde, besteht aus dem photonenvermittelten Energietransfer von Stickstoff (N2) zu Argon (Ar).

'Wir stellten fest, dass es eine zuvor unbekannte Reduktion der Ionisationsrate von Ar im Hochfeld-Ionisationsbereich (unter Verwendung eines 261 nm Pumpenlasers) im Vergleich zu dem gab, was die PPT-Theorie oder die zeitabhängige Schrödingergleichung vorhersagte', sagte Chan Joshi, Mitautor des Artikels, Phys.org. 'Wir wollten herausfinden, ob die 3-Photonen-resonante Absorption von 261 nm Photonen in Ar eine Rolle bei der Reduktion spielt.'

Die kürzlich von Joshi's Kollegen durchgeführte Studie baut auf den vorherigen experimentellen Bemühungen des Teams auf. Bei ihren neuen Experimenten beobachtete das Team, dass die 3-Photonen-Absorption von 261 nm Photonen durch Ar-Atome von einer Emission von kaskadiertem Superfluoreszenz gefolgt wird, insbesondere einer kavitätenfreien, bidirektionalen und laserähnlichen Emission.

'Darüber hinaus entdeckten wir unerwarteterweise, dass die kaskadierte Superfluoreszenz die Wellenlängen wechselte, wenn wir Luft verwendeten, die 1% Ar enthält', sagte Zan Nie, der Hauptautor des Artikels. 'Eine weitere Untersuchung dieses interessanten Effekts deckte einen neuen Luft-Lasmechanismus auf, der den strahlenden Energietransfer von Stickstoff zu Ar ermöglicht.'

Der von Joshi und seinen Kollegen entdeckte neue Mechanismus ermöglichte bidirektionales, zweifarbiges, kaskadiertes Lasen in atmosphärischer Luft. Dieser Mechanismus könnte somit neue Möglichkeiten für die Erzeugung von rückwärtigem Luft-Lasen eröffnen, was ein lang ersehntes Forschungsziel innerhalb der physikalischen Gemeinschaft war.

'Da die Umgebungsluft verschiedene Bestandteile hat, haben wir dieses Problem untersucht, indem wir zunächst Argon mit verschiedenen Bestandteilen der Umgebungsluft mischten, zum Beispiel den am meisten und den zweitmeisten vorkommenden Bestandteilen: Stickstoff und Sauerstoff', erklärte Joshi. 'Es stellte sich heraus, dass das Mischen von Stickstoff mit Argon die gleichen Ergebnisse ergab wie die Verwendung von Umgebungsluft, während das Mischen von anderen Gasen wie Sauerstoff oder Helium nicht die gleichen Ergebnisse ergab. Durch dieses Vergleichsexperiment können wir ableiten, dass der Ursprung des Luft-Lasens auf die Kopplung zwischen Argon und Stickstoff zurückzuführen ist.'

Joshi und seine Kollegen zeigten auch, dass N2-Moleküle in einem elektronisch angeregten Zustand eine nichtlineare 3-Photonen-Absorption für 261 nm bei leicht verschobenen Frequenzen als Ar aufweisen. Diese Verschiebung dient als der obere angeregte Zustand für die kaskadierte Superfluoreszenz, die das Team beobachtete. In ihrem Artikel stellen die Forscher ein theoretisches Modell vor, das die Superfluoreszenz und ihre zugrunde liegenden Mechanismen erklärt.

'Die Suche nach effizientem kavitätenfreiem Lasen in offener Luft dauert bereits seit über einem Jahrzehnt an', sagte Misha Ivanov, Mitautor des Artikels. 'Das Schlüssel- und ziemlich anspruchsvolle Ziel ist es, in beiden Richtungen zu lasen. Man möchte also einen Laser in die Luft schießen und die Luft dazu bringen, ein laserartiges Lichtbündel zurückzuschießen. Dies wäre sehr nützlich für die Fernerkundung, aber es ist einfach unglaublich cool.'

Diese jüngste Studie von Nie, Ivanov, Joshi und ihren Kollegen enthüllte einen zuvor unbekannten photon-vermittelten Mechanismus, der die Energie von N2 zu Ar überträgt und letztendlich ein bidirektionales, kaskadiertes Lasen in atmosphärischer Luft ermöglicht. In Zukunft könnte dieser Mechanismus genutzt werden, um rückwärtiges Luft-Lasen zu realisieren, was neue Möglichkeiten für die Entwicklung von Fernerkundungstechnologien eröffnen könnte.

'Unser Plan für zukünftige Forschungen besteht darin, die detaillierte Physik dieses Mechanismus weiter zu untersuchen, wie zum Beispiel das Quantenschlagen', fügte Nie hinzu. 'Einfach ausgedrückt erzeugt die gleichzeitige Anregung mehrerer Ebenen in Ar zeitabhängige Oszillationen der Ladungsdichte. Diese Frequenzen dieser Oszillationen können die Existenz der zuvor unbekannten Ebenen von nicht nur Ar, sondern auch der schwingungs-rotatorischen Ebenen von Stickstoff, die wichtig für den strahlenden Kopplungsprozess sind, aufzeigen.'

'Wir haben auch Ideen, um die Effizienz des rückwärtigen Luft-Lasens zu erhöhen, um diese Technik näher an reale Anwendungen der Fernerkundung heranzuführen.'

Weitere Informationen: Nie, Z. et al. Bidirektionales überkaskadiertes Superfluoreszenzlasing in Luft ermöglicht durch resonanten Drittharmonie-Photonenaustausch von Stickstoff zu Argon, Physical Review Letters (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.063201. Auf arXiv: arxiv.org/abs/2405.04089

Journalinformationen: Physical Review Letters , arXiv

© 2024 Science X Network