Op het meest basale niveau, een willekeurige laser is precies wat de naam aangeeft; willekeurig. Het is willekeurig in het lichtspectrum dat het produceert en in de manier waarop het licht wordt uitgestraald, het maken van wat een extreem veelzijdige laserbron zou kunnen zijn, bijna nutteloos voor de meeste praktische toepassingen.

Dus, hoe beheers je een deel van de willekeur om bruikbare apparaten te maken? Het is een vraag die een team van onderzoekers van de Universiteit van New Mexico tot een ontdekking heeft geleid die lasertechnologie naar een hoger niveau tilt.

"Het is ongelooflijk om te zien hoe dit project is gevorderd, " zei Behnam Abaie, een doctoraat student aan UNM's Centre for High Technology Materials (CHTM). "Toen ik voor het eerst bij professor [Arash] Mafi kwam werken, Ik wist dat dit project de potentie had om zeer succesvol te worden, maar ik had dit nooit verwacht."

Abaie is de eerste auteur van het papier, 'Random laseren in een Anderson lokaliserende optische vezel', onlangs gepubliceerd in Nature's Light:Science &Applications. Het artikel geeft een technische analyse van hoe het onderzoeksteam, onder leiding van CHTM interim-directeur Arash Mafi, kan deze uiterst krachtige, maar voorheen oncontroleerbaar, lasers.

"Ons succes om deze willekeurige lasers te kunnen besturen, lost tien jaar oude problemen op die hebben verhinderd dat deze lasers mainstream-apparaten werden, " zei Maffia, die ook een universitair hoofddocent is bij UNM's Dept. of Physics &Astronomy. "Het is een heel spannende bijdrage."

Traditionele lasers bestaan ​​uit drie hoofdcomponenten:een energiebron, gain medium en optische holte. De energiebron wordt geleverd via een proces dat 'pompen' wordt genoemd en kan worden geleverd via een elektrische stroom of een andere lichtbron. Die energie gaat dan door het versterkingsmedium dat eigenschappen bevat die het licht versterken. De optische holte - een paar spiegels aan weerszijden van het versterkingsmedium - kaatst het licht heen en weer door het medium, elke keer versterken. Het resultaat is een gerichte, intense lichtstraal, een laser genaamd.

Willekeurige lasers, ter vergelijking, uitvoeren met behulp van een pomp, een sterk verstoord versterkingsmedium maar geen optische holte. Ze zijn uiterst nuttig vanwege hun eenvoud en brede spectrale kenmerken, wat betekent dat een enkele willekeurige laser een lichtstraal kan produceren die meerdere spectra bevat, een zeer gunstige eigenschap voor bepaalde toepassingen zoals biomedische beeldvorming. Echter, gezien hun aard, willekeurige lasers zijn moeilijk betrouwbaar te besturen vanwege hun multidirectionele uitvoer en chaotische fluctuatie.

Het UNM-team, in samenwerking met onderzoekers van Clemson University en de University of California San Diego, heeft deze obstakels op een efficiënte manier kunnen overwinnen - een overwinning waarvan ze hopen dat het het gebruik van willekeurige lasers zal blijven stimuleren.

"Ons apparaat heeft alle geweldige eigenschappen van een willekeurige laser, plus spectrale stabiliteit en het is zeer directioneel, "zei Mafi. "Het is een prachtige ontwikkeling."

Onderzoekers zijn in staat om deze resultaten te bereiken door de fabricage en het gebruik van een unieke glas Anderson-lokaliserende optische vezel. De vezel is gemaakt van een 'satijnkwarts', een extreem poreus ambachtelijk glas dat meestal alleen wordt gebruikt om de machines te kalibreren die glasvezel trekken. Wanneer getrokken in lange staven, het poreuze materiaal vormt tientallen microscopisch kleine luchtkanalen in elke vezel.

"Het glas dat we voor deze glasvezel gebruiken, is eigenlijk materiaal dat we normaal zouden weggooien omdat het erg poreus is. "zei Abaie. "Maar, het zijn die gaten in het glas die de kanalen creëren die de laser besturen."

Eenmaal gevuld met een versterkingsmedium en gepompt met een eenkleurige groene laser, de willekeurige laser wordt minder willekeurig en goed controleerbaar, dankzij een fenomeen dat bekend staat als Anderson Localization.

"Er valt nog veel te leren over Anderson Localization, maar het is opwindend voor ons om deel uit te maken van deze ontwikkeling, ", zei Mafi. "Om apparaten te kunnen maken die gebruik maken van dit fenomeen, het brengt de wetenschap naar nog een ander niveau."

Mafi en zijn onderzoeksteam behoren tot de toonaangevende experts op het gebied van Anderson Localization. In 2014, ze publiceerden een artikel over een ander apparaat dat afbeeldingen kan verzenden met behulp van het fenomeen. Dat onderzoek werd uitgeroepen tot een van Physics World's Top Tien Doorbraken van het jaar.

Vooruit gaan, Mafi zegt dat ze hopen het spectrum van dit nieuwe apparaat te verbreden en efficiënter te maken, het creëren van een breedspectrum verlichtingsbron die over de hele wereld kan worden gebruikt.