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首个基于纸基陶瓷的可控随机激光器

导读: 慕尼黑工业大学(TUM)Cordt Zollfrank教授领导的团队与罗马大学的物理学家一起合作,在施特劳宾科学中心基于纤维素纸制造了第一个可控的随机激光器。

  慕尼黑工业大学(TUM)Cordt Zollfrank教授领导的团队与罗马大学的物理学家一起合作,在施特劳宾科学中心基于纤维素纸制造了第一个可控的随机激光器。基于此,该团队展示了自然产生的结构是如何可以适用于技术应用的。因此,不再需要将材料人工制备成无序结构,而是利用天然材料来替代。

  仿生材料合成是慕尼黑工业大学施特劳宾科学中心生物源聚合物委员会的研究领域之一。它利用自然和生物材料的模板来开发新的材料和技术。最新一期的《先进光学材料》出版物中介绍了一项由施特劳宾科学中心和罗马大学的联合团队完成的基础研究,据科学家Daniel Van Opdenbosch博士介绍,他们成功地“将一种生物结构用作了技术性随机激光器的模板”。

该团队使用传统的实验室滤纸作为一个结构模板,因为其具有长纤维和稳定的结构。

  有两个组件是激光器必不可少的:首先,需要有进行光放大的增益介质。其次,需要有一个将光保持在介质中的结构。经典的激光器使用镜子来引导光并使光在一个单一的方向上以一种定向和均匀的方式传播。这也均匀地发生在一个随机激光器的显微结构里,但是是在不同的方向上。虽然随机激光器的发展仍处于起步阶段,但在未来,它可能会带来更低成本的生产。这是因为随机激光器具有一些优点,例如它们具有方向独立性并具有多种颜色,这里只列出了几个好处。

  无序结构会偏折各个方向的光

  “随机激光器的前提是具有一个确定的内部结构混乱度,”Van Opdenbosch解释说。因此,随机激光器内的光会沿着所有的角度和随机路径进行散射,这是由介质内部一个不规则的结构决定的。这个由施特劳宾科学中心生物源聚合物委员会的Zollfrank教授领导的团队使用常规的实验室滤纸作为结构模板。“由于其长纤维和由此产生的稳定结构,我们认为其非常适合这一目的,”Van Opdenbosch说。

  在实验室中,这些滤纸被用一种有机金属化合物正钛酸四乙酯进行了浸透。当它被干燥并将纤维素在500摄氏度下烧掉以后,它留下了陶瓷钛白粉作为残渣——与通常用在防晒霜里面防止晒伤的物质是一样的。“防晒霜中的这种效应是基于二氧化钛强烈的光散射效应,”Van Opdenbosch说,“我们也将这种效应应用在了我们的随机激光器上。”“我们的激光器”之所以是“随机的”是因为由于实验室滤纸的生物结构而在不同的方向上散射的光也可以在相反的方向上进行散射,”他补充解释了其原理。

  随机激光毕竟不是完全随机的

  尽管具有随机的本质,但是该光波还是可以被控制的,就像由罗马大学复杂系统研究所的Claudio Conti为首的团队发现的那样,Daniel Van Opdenbosch和Cordt Zollfrank就是与他们一起合作。在光谱仪的帮助下,他们能够区分出在材料中产生的不同的激光波长,并逐个将它们分别定位出来。

  Van Opdenbosch描述了这个过程:“用来绘制样品地图的测试装置由一个能量可以调节的绿色激光器,显微镜镜头,以及一个可以使样品移动的移动台组成。这样,我们的同事就能够确定出在不同的能量水平和材料的不同区域所辐射出的不同的激光波。”在这个分析的光里面,以任何数目的路径来配置激光器并确定其辐射的方向和强度是可能的。

  这些知识使得一些潜在的实际应用变得现实起来。“例如,这种材料可以被用做微开关或探测结构变化的探测器,”Van Opdenbosch说。

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