Mechanizm, który przenosi energię z azotu do argonu, umożliwia dwukierunkowe kaskadowe wywoływanie promieniowania laserowego w powietrzu atmosferycznym.

23 sierpnia 2024 r. artykuł

Niniejszy artykuł został sprawdzony zgodnie z procesem redakcyjnym i zasadami Science X. Redaktorzy podkreślili następujące atrybuty, zapewniając jednocześnie wiarygodność treści:

• sprawdzone pod kątem faktów
• publikacja zrecenzowana przez ekspertów
• zaufane źródło
• korekta

przez Ingrid Fadelli, Phys.org

Aby wytworzyć światło, lasery zazwyczaj wykorzystują wnęki optyczne, czyli pary luster zwróconych do siebie, które wzmacniają światło, odbijając je w tę i z powrotem. Ostatnio niektórzy fizycy badali generowanie „światła laserowego” na wolnym powietrzu bez użycia wnęk optycznych, zjawisko znane jako laserowanie bezwnękowe w powietrzu atmosferycznym.

Naukowcy z University of California Los Angeles (UCLA) i Max Born Institute niedawno ujawnili mechanizm fizyczny, który prowadzi do tego zjawiska. Mechanizm ten, opisany w artykule w Physical Review Letters, polega na transferze energii z azotu (N2) do argonu (Ar) za pomocą fotonów. „Zauważyliśmy, że w warunkach jonizacji w wysokim polu (z wykorzystaniem lasera pompującego o długości fali 261 nm) nastąpiła nieznana wcześniej redukcja szybkości jonizacji Ar w porównaniu z przewidywaną przez teorię PPT lub zależne od czasu równanie Schrödingera” — powiedział Chan Joshi, współautor artykułu, dla Phys.org. „Chcieliśmy się dowiedzieć, czy 3-fotonowa rezonansowa absorpcja fotonów o długości fali 261 nm w Ar może odgrywać rolę w tej redukcji”.

Niedawne badanie przeprowadzone przez współpracowników Joshiego opiera się na poprzednich eksperymentalnych wysiłkach zespołu. Podczas przeprowadzania nowych eksperymentów zespół zaobserwował, że 3-fotonowa absorpcja fotonów o długości fali 261 nm przez atomy Ar jest poprzedzona emisją kaskadowej superfluorescencji, konkretnie bezwnękowej, dwukierunkowej i podobnej do laserowej emisji.

„Co więcej, niespodziewanie odkryliśmy, że kaskadowa superfluorescencja zmieniała długość fali, jeśli użyliśmy powietrza zawierającego 1% Ar” — powiedział Zan Nie, główny autor artykułu. „Dalsze badania tego ciekawego efektu ujawniły nowy mechanizm laserowania powietrznego, który ułatwia radiacyjny transfer energii z azotu do Ar”.

Odkryto, że nowy mechanizm odkryty przez Joshiego i jego współpracowników umożliwia dwukierunkowe, dwukolorowe, kaskadowe laserowanie w powietrzu atmosferycznym. Mechanizm ten może zatem otworzyć nowe drogi do generowania wstecznego laserowania powietrznego, co od dawna stanowi cel badawczy w społeczności fizyków.

„Ponieważ powietrze atmosferyczne ma różne składniki, zbadaliśmy ten problem, najpierw mieszając argon z różnymi składnikami powietrza atmosferycznego, na przykład najbardziej i drugimi pod względem obfitości składnikami: azotem i tlenem” — wyjaśnił Joshi. „Okazało się, że mieszanie azotu z argonem dało takie same wyniki, jak użycie powietrza atmosferycznego, podczas gdy mieszanie innych gazów, takich jak tlen lub hel, nie dało takich samych wyników. Dlatego na podstawie tego eksperymentu porównawczego możemy wywnioskować, że źródłem laserowania w powietrzu było sprzężenie argonu i azotu.'

Joshi i jego współpracownicy wykazali również, że cząsteczki N2 w stanie wzbudzonym elektronicznie wykazują nieliniową absorpcję 3-fotonów dla 261 nm przy nieznacznie przesuniętych częstotliwościach niż Ar. To przesunięcie służy jako górny stan wzbudzony dla kaskadowej superfluorescencji, którą zaobserwował zespół. W swojej pracy naukowcy przedstawiają teoretyczny model, który wyjaśnia superfluorescencję i jej podstawowe mechanizmy.

„Poszukiwania wydajnego laserowania bez wnęk na wolnym powietrzu trwają od ponad dekady” — powiedział Misha Ivanov, współautor pracy. „Kluczowym — i dość trudnym — celem jest osiągnięcie laserowania w obu kierunkach. Oznacza to, że chcesz wystrzelić laser w powietrze i sprawić, by powietrze wystrzeliło w twoją stronę błysk światła przypominający laser. Byłoby to bardzo przydatne w teledetekcji, ale jest po prostu niesamowicie fajne”.

Ostatnie badanie przeprowadzone przez Nie, Ivanova, Joshiego i ich współpracowników ujawniło nieznany wcześniej mechanizm pośredniczony przez fotony, który przenosi energię z N2 do Ar, umożliwiając ostatecznie dwukierunkowe kaskadowe laserowanie w powietrzu atmosferycznym. W przyszłości mechanizm ten można by wykorzystać do realizacji wstecznego laserowania powietrznego, co mogłoby otworzyć nowe możliwości rozwoju technologii teledetekcji.

„Naszym planem na przyszłe badania jest dalsze badanie szczegółowej fizyki tego mechanizmu, takiego jak bicie kwantowe” — dodał Nie. „Mówiąc wprost, jednoczesne wzbudzenie wielu poziomów w Ar powoduje zależne od czasu oscylacje gęstości ładunku. Te częstotliwości tych oscylacji mogą ujawnić istnienie nieznanych wcześniej poziomów nie tylko Ar, ale także wibracyjno-rotacyjnych poziomów azotu, które są ważne w procesie sprzężenia radiacyjnego”.

„Mamy również pomysły na zwiększenie wydajności wstecznego laserowania powietrznego, aby promować tę technikę bliżej rzeczywistych zastosowań teledetekcji”.