science >> Wetenschap >  >> Fysica

Eerste willekeurige laser gemaakt van keramiek op papierbasis

Het team gebruikte conventioneel laboratoriumfilterpapier als structureel sjabloon vanwege de lange vezels en de stabiele structuur. Krediet:Instituut voor complexe systemen / Rome

Werken met natuurkundigen van de Universiteit van Rome, een team onder leiding van professor Cordt Zollfrank van de Technische Universiteit van München (TUM) bouwde de eerste bestuurbare willekeurige laser op basis van cellulosepapier in Straubing. Het team liet daarmee zien hoe natuurlijk voorkomende structuren kunnen worden aangepast voor technische toepassingen. Vandaar, materialen hoeven niet langer kunstmatig te worden uitgerust met wanordelijke structuren, in plaats daarvan gebruik maken van natuurlijk voorkomende.

Materiaalsynthese die is geïnspireerd door de biologie is een onderzoeksgebied van de TUM's Chair of Biogenic Polymers in het Straubing Center of Science. Het gebruikt modellen uit de natuur en biogene materialen om nieuwe materialen en technologieën te ontwikkelen. Het laatste nummer van de publicatie Geavanceerde optische materialen bevat een basisstudie door een gezamenlijk team uit Straubing en Rome, die erin slaagde "een biologische structuur te gebruiken als sjabloon voor een technische willekeurige laser, " volgens wetenschapper dr. Daniel Van Opdenbosch.

Voor een laser zijn twee componenten nodig:een medium dat licht versterkt. En ten tweede, een structuur die het licht in het medium vasthoudt. Een klassieke laser gebruikt spiegels om licht te ordenen en te schijnen in een enkele richting in een gerichte, uniforme mode. Dit gebeurt ook uniform in de microscopische structuur van een willekeurige laser, maar in verschillende richtingen. Hoewel de ontwikkeling van de random laser nog in de kinderschoenen staat, in de toekomst kan dit leiden tot een goedkopere productie. Dit komt omdat willekeurige lasers het voordeel hebben dat ze richtingsonafhankelijk zijn en met meerdere kleuren werken, om maar een paar voordelen te noemen.

Ongeordende structuur buigt het licht in alle richtingen af

"De voorwaarde voor een willekeurige laser is een gedefinieerde mate van structurele chaos aan de binnenkant, ", legt Van Opdenbosch uit. Het licht in een willekeurige laser wordt daarom onder allerlei hoeken langs willekeurige paden verstrooid, die worden bepaald door een onregelmatige structuur in het inwendige van het medium. Het team onder leiding van professor Zollfrank van de leerstoel Biogene Polymers in Straubing gebruikte conventioneel laboratoriumfilterpapier als structurele sjabloon. "Door de lange vezels en de resulterende stabiele structuur, wij achtten het geschikt voor dit doel, ', aldus Van Opdenbosch.

In het laboratorium, het papier was geïmpregneerd met tetraethylorthotitanaat, een organometaalverbinding. Wanneer het wordt gedroogd en de cellulose verbrandt bij 500 graden Celsius, het laat het keramische titaniumdioxide achter als residu - dezelfde stof die over het algemeen wordt gebruikt in sunblock om bescherming tegen de zon te bieden. "Dit effect in sunblock is gebaseerd op het sterke lichtverstrooiingseffect van titaniumdioxide, zei Van Opdenbosch, "die we ook hebben gebruikt voor onze willekeurige laser." En "onze laser is 'willekeurig' omdat het licht dat door de biogene structuur van het laboratoriumfilterpapier in verschillende richtingen wordt verstrooid, ook in de tegenovergestelde richting kan worden verstrooid, " hij voegde toe, het principe uitleggen.

Willekeurige laser toch niet zo willekeurig

Echter, de lichtgolven kunnen ondanks hun willekeurige aard nog steeds worden gecontroleerd, zoals het team onder leiding van Claudio Conti van het Institute for Complex Systems in Rome ontdekte, met wie Daniel Van Opdenbosch en Cordt Zollfrank samenwerkten. Met behulp van een spectrometer, ze waren in staat om de verschillende lasergolflengten die in het materiaal worden gegenereerd te onderscheiden en afzonderlijk van elkaar te lokaliseren.

Van Opdenbosch beschreef de procedure:"De testopstelling die werd gebruikt om de monsters in kaart te brengen, bestond uit een groene laser waarvan de energie kon worden aangepast, microscoop lenzen, en een verrijdbare tafel waar het monster langs kon worden bewogen. Op die manier, onze collega's konden vaststellen dat op verschillende energieniveaus, verschillende delen van het materiaal stralen verschillende lasergolven uit." In het licht van deze analyse, het is mogelijk om de laser op verschillende manieren te configureren en de richting en intensiteit van zijn straling te bepalen.

Deze kennis brengt potentiële praktische toepassingen binnen handbereik. "Dergelijke materialen kunnen, bijvoorbeeld, bruikbaar zijn als microschakelaars of detectoren voor structurele veranderingen, ', aldus Van Opdenbosch.