Een mechanisme dat energie overbrengt van stikstof naar argon maakt bidirectionele gecascadeerde lasering mogelijk in atmosferische lucht.

23 augustus 2024 kenmerk

Dit artikel is beoordeeld volgens het redactionele proces en de procedures van Science X. Redacteuren hebben de volgende kenmerken benadrukt bij het verzekeren van de geloofwaardigheid van de inhoud:

• gecontroleerd op feiten
• door vakgenoten beoordeelde publicatie
• betrouwbare bron
• nagekeken

door Ingrid Fadelli, Phys.org

Om licht te produceren, vertrouwen lasers doorgaans op optische ruimtes, paren van spiegels die tegenover elkaar staan en het licht versterken door het heen en weer te kaatsen. Onlangs hebben enkele natuurkundigen onderzoek gedaan naar de generatie van 'laserlicht' in open lucht zonder het gebruik van optische ruimtes, een fenomeen dat bekend staat als cavity-free lasing in atmosferische lucht.

Onderzoekers van de Universiteit van California Los Angeles (UCLA) en het Max Born Instituut hebben onlangs een fysisch mechanisme onthuld dat leidt tot dit fenomeen. Dit mechanisme, beschreven in een paper in Physical Review Letters, bestaat uit de foton-gemedieerde overdracht van energie van stikstof (N2) naar argon (Ar).

'We merkten op dat er een voorheen onbekende vermindering van de ionisatiesnelheid van Ar was in het hoge-veld ionisatieregime (met behulp van een 261 nm pomp laser) in vergelijking met wat voorspeld was door de PPT-theorie of de tijdsafhankelijke Schrödingervergelijking,' vertelde Chan Joshi, medeauteur van de paper, aan Phys.org. 'We wilden erachter komen of 3-foton resonante absorptie van 261 nm fotonen in Ar een rol speelt in de vermindering.'

De recente studie van de collega's van Joshi bouwt voort op de eerdere experimentele inspanningen van het team. Bij het uitvoeren van hun nieuwe experimenten, observeerde het team dat de 3-foton absorptie van 261 nm fotonen door Ar atomen gevolgd wordt door de emissie van cascaded superfluorescentie, specifiek een cavity-free, bidirectionele en laserachtige emissie.

'Bovendien ontdekten we onverwachts dat de cascaded superfluorescentie van golflengte verandert als we lucht gebruiken die 1% Ar bevat,' zei Zan Nie, de hoofdauteur van de paper. 'Verder onderzoek naar dit nieuwsgierige effect onthulde een nieuw air lasing mechanisme dat radiatieve energieoverdracht van stikstof naar Ar vergemakkelijkt.'

Het nieuwe mechanisme ontdekt door Joshi en zijn collega's bleek bidirectionele, tweevoudig gekleurde, cascaded lasing in atmosferische lucht mogelijk te maken. Dit mechanisme zou dus nieuwe wegen kunnen openen voor de generatie van backward air lasing, wat een al lang bestaand onderzoeksdoel is binnen de natuurkundige gemeenschap.

'Aangezien omgevingslucht verschillende componenten heeft, hebben we dit probleem onderzocht door eerst argon te mengen met verschillende componenten van omgevingslucht, bijvoorbeeld de meest voorkomende en de op een na meest voorkomende componenten: stikstof en zuurstof,' legde Joshi uit. 'Het bleek dat het mengen van stikstof met argon dezelfde resultaten opleverde als het gebruik van omgevingslucht, terwijl het mengen van andere gassen zoals zuurstof of helium niet hetzelfde resultaat gaf. Daarom kunnen we door dit vergelijkend experiment concluderen dat de oorsprong van de air lasing te wijten was aan de koppeling tussen argon en stikstof.'

Joshi en zijn collega's toonden ook aan dat N2-moleculen in een elektronisch geëxciteerde toestand niet-lineaire 3-foton absorptie vertonen voor 261 nm bij iets verschoven frequenties dan Ar. Deze verschuiving dient als de bovenste geëxciteerde toestand voor de cascaded superfluorescentie die het team waarnam. In hun paper introduceren de onderzoekers een theoretisch model dat de superfluorescentie en de onderliggende mechanismen verklaart.

'De zoektocht naar efficiënte cavity-free lasing in open lucht is al meer dan een decennium aan de gang,' zei Misha Ivanov, medeauteur van de paper. 'Het belangrijkste—en nogal uitdagende—doel is om lasing in beide richtingen te bereiken. Met andere woorden, je wilt een laser de lucht inschieten en de lucht wilt een laserachtige lichtflits terug op je afvuren. Dit zou zeer nuttig zijn voor op afstand sensoren, maar het is gewoon verbijsterend cool.'

Deze recente studie van Nie, Ivanov, Joshi en hun collega's onthulde een voorheen onbekend foton-gemedieerd mechanisme dat energie van N2 naar Ar overdraagt, wat uiteindelijk bidirectionele cascaded lasing in atmosferische lucht mogelijk maakt. In de toekomst kan dit mechanisme worden benut om backward air lasing te realiseren, wat nieuwe mogelijkheden kan bieden voor de ontwikkeling van remote sensing technologieën.

'Ons plan voor toekomstig onderzoek is om de gedetailleerde fysica van dit mechanisme verder te onderzoeken, zoals quantum beating,' voegde Nie eraan toe. 'Eenvoudig gezegd, gelijktijdige excitatie van meerdere niveaus in Ar produceert tijdafhankelijke oscillaties van ladingdichtheid. De frequenties van deze oscillaties kunnen de aanwezigheid onthullen van de eerder onbekende niveaus van niet alleen Ar, maar ook de vibratie-rotatie niveaus van stikstof die belangrijk zijn in het radiatieve koppelingsproces.

'We hebben ook ideeën om de efficiëntie van de backward air lasing te verhogen om deze techniek dichter bij echte toepassingen van remote sensing te brengen.'

Meer informatie: Nie, Z. et al. Bidirectionele gecascadeerde superfluorescente lasing in de lucht mogelijk gemaakt door resonante derde harmonische fotonenuitwisseling van stikstof naar argon, Physical Review Letters (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.063201. Op arXiv: arxiv.org/abs/2405.04089

Tijdschriftinformatie: Physical Review Letters , arXiv

© 2024 Science X Network