Avoimen ilman laserit mahdollistettu muuntamalla energiaa typen ja argonin välillä

Kalifornian yliopiston Los Angelesin kampuksen UCLA:n ja Max Born -instituutin tutkijat ovat tutkineet typen ja argonin avulla syntyvää lasermaista säteilyä. Työ jatkaa tutkimusta, jossa säteily tuotetaan ilmassa ilman tavallista optista resonaattoria. Mahdollinen tuleva sovellus on kaukokartoitus.

Lasertekniikka

Tavallisessa laserissa energiaa syötetään vahvistavaan aineeseen, jossa stimuloitu emissio vahvistaa valoa. Optinen resonaattori, usein kahden peilin muodostama rakenne, kierrättää valoa aineen läpi. Pelkkä peileistä heijastuminen ei synnytä vahvistusta ilman energialähdettä ja sopivaa ainetta.

Lasermaisen säteilyn tuottaminen ilmassa

Resonaattorittomassa ilmalaserissa voimakas ulkoinen laserpulssi virittää ilman hiukkasia, jotka voivat tuottaa suunnattua lasermaista säteilyä. Ilmiötä on tutkittu jo yli vuosikymmenen ajan. Uusi tutkimus selvittää yhtä sen mekanismeista; se ei ole ensimmäinen osoitus siitä, että lasermaista säteilyä voidaan tuottaa ilmassa.

Typpi–argon-järjestelmää koskeva tutkimus

Työssä tutkitaan typen ja argonin välistä energiansiirtoa. Physical Review Letters -lehdessä julkaistu tutkimus kuvaa fotonien välittämää energiansiirtoa N₂-molekyyleistä Ar-atomeihin ja sen synnyttämää superfluoresenssia, jossa virittyneet hiukkaset säteilevät yhteistoiminnallisesti.

Vertailemalla kaasuseoksia tutkijat selvittivät, että typpi on olennainen havaittujen argonin säteilysiirtymien kannalta. Heliumin tai hapen lisääminen ei tuottanut samaa vastetta. Tulokset tukevat selitystä, jossa energia siirtyy typen ja argonin välillä säteilyn välityksellä.

Kokeellinen toteutus

Kaasuja viritettiin voimakkailla, noin 261 nanometrin ultraviolettipulsseilla. Mittauksissa tutkittiin kolmen fotonin absorptiota ja sitä seuraavaa säteilyä. Kyse oli laboratoriokokeesta, joka tarvitsi ulkoisen pumppulaserin.

Typen ja argonin seoksessa havaittiin kahteen suuntaan etenevää, kahden aallonpituuden kaskadisäteilyä. Mekanismissa N₂-molekyylien viritys siirtää energiaa argoniin. Tämä eroaa puhtaassa argonissa havaittujen siirtymien kokonaisuudesta.

Pumppuaallonpituutta ja kaasuseoksia muuttamalla tutkijat vertailivat mahdollisia energiansiirtoreittejä. Aikariippuvat mittaukset auttoivat erottamaan superfluoresenssin vahvistuneesta spontaanista emissiosta. Tuloksia verrattiin teoreettiseen malliin.

Tulokset

Tutkimus osoitti kaksisuuntaista lasermaista kaskadisäteilyä ilmassa. Ilman argonpitoisuus on noin yksi prosentti. Olennainen havainto liittyy typen ja argonin väliseen energiansiirtoon. Kaasuseosten vertailu auttoi selvittämään, mitkä komponentit tuottavat havaitun vasteen.

Mahdolliset hyödyt

Säteilyn syntyminen etäällä ilman paikallista peiliresonaattoria voisi helpottaa tiettyjä mittausjärjestelyjä. Koko järjestelmä tarvitsee silti pumppulaserin, optiikkaa ja ilmaisimia. Tutkimus ei osoittanut valmista halpaa tai yksinkertaista kaupallista laitetta.

Vakaus

Optisten resonaattorien kohdistus voi vaikuttaa laserin toimintaan, mutta peilit eivät välttämättä ole liikkuvia osia. Resonaattorittomuus poistaa yhden rakennevaatimuksen säteilyn syntypaikasta, ei kaikkia kohdistukseen, ympäristöön tai energiansyöttöön liittyviä haasteita.

Koko ja paino

Kaasun käyttö ei yksin ratkaise laitteen kokoa tai painoa. Pumppulaser ja mittausoptiikka voivat olla huomattavia komponentteja. Työ ei osoittanut pienikokoista avaruuslaitetta tai nanoteknologista sovellusta, vaikka jatkokehitys voi avata uusia mahdollisuuksia.

Mahdolliset käyttösovellukset

Lähin tutkimuksessa esitetty sovellussuunta on kaukokartoitus ja spektroskopia. Muita mahdollisia käyttökohteita tulee arvioida erikseen, sillä laboratoriohavainto ei takaa soveltuvuutta kaikkiin nykyisten laserien tehtäviin.

Kaukokartoitus

Takaisin kohti lähettäjää etenevä säteily voisi mahdollistaa etämittauksia yhdeltä puolelta kohdetta. Se voi olla hyödyllinen ilman koostumuksen tutkimuksessa. Parempia aurinkopaneeleja tai kaupallisia turvallisuuslaitteita ei kuitenkaan kehitetty tässä tutkimuksessa.

Terveydenhuolto

Lasereita käytetään jo lääketieteessä esimerkiksi leikkauksissa ja kuvantamisessa. Tämä työ ei käsitellyt potilashoitoa, nanorobotteja tai syöpäsolujen kohdentamista. Tällaisten käyttötapojen turvallisuus ja teho pitäisi osoittaa erillisissä tutkimuksissa.

Sotilaallinen käyttö

Suuritehoisia lasereita tutkitaan myös puolustuskäyttöön, kuten droonien torjuntaan. Tässä käsitelty heikko, lasermaista säteilyä tuottava ilmamekanismi ei kuitenkaan ole osoitettu torjunta-aseeksi. Tutkimus ei vahvistanut pienempää energiankulutusta tai kykyä pysäyttää drooneja ja ohjuksia.

Tutkijat

Tutkimukseen osallistui tutkijoita UCLA:sta, Max Born -instituutista ja muista yhteistyöorganisaatioista. Ensimmäinen kirjoittaja on Zan Nie. Kirjoittajiin kuuluvat myös Chan Joshi ja Misha Ivanov.

Kaksi alan yritystä

Laser- ja ilmailuteknologiaa kehittävät yritykset voivat seurata alan perustutkimusta. Alla olevat yritykset ovat toimialaesimerkkejä; niiden ei ole osoitettu ottaneen tämän tutkimuksen mekanismia kaupalliseen käyttöön.

1. Heico Corporation

HEI Hintakaavio

HEICO Corporation (HEI ) (HEI-A ) on Floridassa pääkonttoriaan pitävä ilmailu- ja elektroniikkateknologian yritys. Sen tuotteita käytetään muun muassa ilmailussa, puolustuksessa, avaruustekniikassa ja tietoliikenteessä. Toimialayhteys ei yksin osoita, että uusi ilmalasermekanismi parantaisi yhtiön tulosta.

HEICO:n Flight Support Group osti elokuussa 2024 Capewell Aerial Systemsin Aerial Delivery- ja Descent Devices -liiketoiminnat. Kauppa laajensi yhtiön lentokoneiden hätäpoistumis- ja ilmapudotusratkaisuja. Se ei ollut tässä käsitellyn ilmalasertutkimuksen kaupallistamista.

Sijoittajien kiinnostus yhtiöön, myös Berkshire Hathaway (BRK.A ) (BRK-B ) -konsernin omistus, ei takaa osakkeen arvonnousua. Berkshire Hathaway on monialainen holdingyhtiö, ei vain Warren Buffettin sijoitusrahasto. Markkina-arvo on sidottava tarkkaan ajankohtaan eikä sitä pidä esittää varmana kasvuennusteena.

2. Laser Photonics Corporation

LASE Hintakaavio

Laser Photonics Corporation (LASE ) on Floridassa toimiva teollisten laserjärjestelmien kehittäjä. Sen tuotteisiin kuuluu laserpuhdistus- ja materiaalinkäsittelyjärjestelmiä. Yhtiön Fortune 1000 -asiakkaita koskeva maininta ei tarkoita, että Laser Photonics itse olisi Fortune 500 -listalla. Maaliskuussa 2024 se ilmoitti jakelusopimuksesta Fastenal Companyn (FAST ) kanssa. Sopimus koski teollisia lasertuotteita. Uuden ilmalasermekanismin mahdollinen soveltaminen vaatisi erillistä tutkimus- ja kehitystyötä; siitä ei voi päätellä lähikuukausien tulosparannusta tai yleispätevää sijoitussuositusta.

Jatkotutkimus ratkaisee käytännön mahdollisuudet

Työ auttaa ymmärtämään typen ja argonin välistä säteilyn välittämää energiansiirtoa. Jatkotutkimuksessa voidaan selvittää esimerkiksi kvanttitilojen interferenssistä syntyviä ajallisia värähtelyjä sekä takaisin etenevän säteilyn tehokkuuden parantamista. Käytännön etämittausjärjestelmät edellyttävät vielä kehitystä.

Tutustu myös muihin kiinnostaviin tutkimushankkeisiin.