En mekanism som överför energi från kväve till argon möjliggör bilateralt stegvis lasring i atmosfärisk luft

23 augusti 2024 inslag

Den här artikeln har granskats enligt Science X:s redaktionella process och policyer. Redaktörer har markerat följande attribut samtidigt som de säkerställer innehållets trovärdighet:

• faktagranskad
• peer-reviewed publikation
• pålitlig källa
• korrekturläs

av Ingrid Fadelli, Phys.org

För att producera ljus förlitar sig lasrar vanligtvis på optiska kaviteter, par av speglar som är vända mot varandra som förstärker ljuset genom att studsa det fram och tillbaka. Nyligen har en del fysiker undersökt genereringen av "laserljus" i öppen luft utan användning av optiska kaviteter, ett fenomen som kallas kavitetsfri lasring i atmosfärisk luft.

Forskare vid University of California Los Angeles (UCLA) och Max Born Institute avslöjade nyligen en fysisk mekanism som leder till detta fenomen. Denna mekanism, som beskrivs i en artikel i Physical Review Letters, består av fotonmedierad överföring av energi från kväve (N2) till argon (Ar).

"Vi märkte att det verkade finnas en tidigare okänd minskning av joniseringshastigheten för Ar i högfältsjoniseringsregimen (med en 261 nm pumplaser) jämfört med den som förutspåddes av PPT-teorin eller tidsberoende Schrödinger-ekvationen," Chan Joshi , medförfattare till tidningen, berättade för Phys.org. "Vi ville ta reda på om 3-fotonresonansabsorption av 261 nm fotoner i Ar kan spela en roll i reduktionen."

Den senaste studien av Joshis kollegor bygger på teamets tidigare experimentella ansträngningar. När de genomförde sina nya experiment observerade teamet att 3-fotonabsorptionen av 261 nm fotoner av Ar-atomer följs av emission av kaskadad superfluorescens, specifikt en kavitetsfri, dubbelriktad och laserliknande emission.

"Dessutom upptäckte vi oväntat att den kaskadkopplade superfluorescensen ändrade våglängder om vi använde luft som innehåller 1% Ar," sa Zan Nie, huvudförfattaren till tidningen. "Vidare undersökning av denna märkliga effekt avslöjade en ny luftlasermekanism som underlättar överföring av strålningsenergi från kväve till Ar."

Den nya mekanismen som upptäckts av Joshi och hans kollegor visade sig möjliggöra dubbelriktad, tvåfärgad, kaskadad lasring i atmosfärisk luft. Denna mekanism kan således öppna nya vägar för generering av bakåtriktad luftlasning, vilket har varit ett långvarigt forskningsmål inom fysiksamhället.

"Eftersom den omgivande luften har olika komponenter, undersökte vi detta problem genom att först blanda argon med olika komponenter i omgivande luft, till exempel de mest och de näst vanligaste komponenterna: kväve och syre," förklarade Joshi. "Det visade sig att blandning av kväve med argon visade samma resultat som att använda omgivande luft medan blandning av annan gas som syre eller helium inte visade samma resultat. Därför kan vi genom detta jämförelseexperiment dra slutsatsen att ursprunget till luftlasringen berodde på kopplingen mellan argon och kväve.'

Joshi och hans kollegor visade också att N2-molekyler i ett elektroniskt exciterat tillstånd uppvisar olinjär-3-fotonabsorption för 261 nm vid något förskjutna frekvenser än Ar. Detta skifte fungerar som det övre exciterade tillståndet för den kaskadformade superfluorescensen som teamet observerade. I sin uppsats introducerar forskarna en teoretisk modell som förklarar superfluorescensen och dess underliggande mekanismer.

"Strävan efter effektiv hålighetsfri lasring i fri luft har pågått i över ett decennium", säger Misha Ivanov, medförfattare till tidningen. ”Nyckeln – och ganska utmanande – målet är att uppnå laser i båda riktningarna. Det vill säga att du vill skjuta en laser i luften och få luften att skjuta tillbaka en laserliknande ljusskur mot dig. Detta skulle vara väldigt användbart för fjärranalys, men det är bara förbluffande coolt.'

Denna nyligen genomförda studie av Nie, Ivanov, Joshi och deras kollegor avslöjade en tidigare okänd fotonförmedlad mekanism som överför energi från N2 till Ar, vilket i slutändan möjliggör dubbelriktad kaskadlasering i atmosfärisk luft. I framtiden kan denna mekanism utnyttjas för att realisera bakåtriktad luftlasing, vilket kan öppna nya möjligheter för utveckling av fjärranalysteknik.

"Vår plan för framtida forskning är att ytterligare undersöka detaljerad fysik av denna mekanism, såsom kvantslag," tillade Nie. Enkelt uttryckt producerar samtidig excitering av flera nivåer i Ar tidsberoende svängningar av laddningstätheten. Dessa frekvenser av dessa svängningar kan avslöja förekomsten av de tidigare okända nivåerna av inte bara Ar utan också av vibrations-rotationsnivåer av kväve som är viktiga i den strålande kopplingsprocessen.'

"Vi har också idéer för att öka effektiviteten hos den bakåtriktade luftlasningen för att främja denna teknik närmare verkliga tillämpningar av fjärranalys."