Öppna luftlasrar möjliga genom att omvandla energi mellan kväve och argon

Ett forskarlag från University of California Los Angeles (UCLA) och Max Born-institutet publicerade en studie som visar hur kväve och argon kan användas för att skapa laserljus. Studien bygger på årtionden av forskning om lasrar i fri luft, som en dag skulle kunna förbättra sensorer, robotik och mycket annat. Här är vad du behöver veta.

Laserteknik

I årtionden har lasrar huvudsakligen fungerat genom att en ljusstråle skickas genom en optisk kavitet mellan två speglar. Speglarna är konstruerade och vinklade så att ljuset kan studsa fram och tillbaka mellan dem. Detta förstärker ljusets intensitet och skapar den fokuserade stråle du ser.

Öppna luftlasrar

Ända sedan laserforskningen började har ingenjörer försökt skapa laserljus utan förstärkande kaviteter och speglar. En del av denna forskning handlar om att skapa lasrar i fri luft. Dessa använder växelverkan mellan partiklar som exciterats av intensivt ljus för att bilda laserljus. Fram till nyligen gick detta vetenskapliga koncept inte att förverkliga. Publiceringen av den nya studien tyder dock på att läget har förändrats.

Kväve‑argon öppna luftlaserstudie

Studien beskriver hur blandningar av kväve och argon kan framkalla laserverkan utan kavitet i atmosfärisk luft. Studien, som publicerats i Physical Review Letters, presenterar konceptet och en fungerande modell som åstadkom fotonförmedlad energiöverföring mellan N₂ och Ar, vilket gav upphov till superfluorescens.

Forskarna undersöker flera olika koncept, eftersom omgivande luft innehåller olika komponenter som skulle kunna ge upphov till superfluorescens. För att bekräfta att argon och kväve var de aktiva komponenterna behövde laget övervaka deras koppling i en miljö med stabil syrehalt. Testerna gav intressanta resultat, bland annat dubbelriktad laserverkan, som öppnade för en rad nya vetenskapliga experiment.

Öppna luftlasrar – testning

Testerna började med att ingenjörerna använde en pumplaser på 261 nm för att excitera gaserna. Målet var att bättre förstå varför argonblandningen får en minskad joniseringshastighet. Testet ledde till att ingenjörerna fokuserade på resonant trefotonabsorption av fotoner på 261 nm i Ar. Här upptäckte de ett direkt samband med den dubbelriktade lasereffekten.

Denna dubbelriktade kaskadlasereffekt testades med olika parametrar för att säkerställa att omvandlingens detaljer registrerades. Testet visade att blandning av kväve och argon gav den önskade responsen, medan andra blandningar inte gav någon dubbelriktad laserljuspuls. En närmare granskning visade att Ar-atomernas trefotonabsorption av fotoner med våglängden 261 nm specifikt ger upphov till emission av kaskaderad superfluorescens. Detta var en viktig upptäckt, eftersom det tidigare var okänt att en fotonförmedlad mekanism som överför energi från N2 till Ar var möjlig.

Nästa steg började med frekvenstester. Forskarna prövade olika frekvenser tills de märkte att kvävemolekyler uppvisar icke-linjär trefotonabsorption i ett elektroniskt exciterat tillstånd när de bestrålas vid 261 nm tillsammans med argon som resonerar vid en något annorlunda frekvens. Dessa data samlades sedan in för att skapa nya formler för att modellera framtida experiment.

Resultat

Studien visar lovande resultat som kan förändra laserområdet. Bland annat lyckades laget åstadkomma dubbelriktade kaskadlasereffekter i atmosfärisk luft. Närmare bestämt kunde ingenjörerna skapa dubbelriktad laserverkan i två färger i en uppställning i fri luft utan kavitet.

Forskningen belyser också oväntade upptäckter. Laget märkte exempelvis att mängden syre i blandningen påverkade växelverkan mellan argon- och kvävemolekylerna. Deras forskning visar att en blandning med 1 % O2 är idealisk för dubbelriktad, laserliknande emission utan kavitet.

Fördelar med öppna luftlasrar

Tekniken ger marknaden flera fördelar. Bland annat gör den det möjligt att skapa lasrar med färre mekaniska delar. Lasrar i fri luft kommer att kräva mindre tekniskt arbete och tillverkningsarbete. De lägre kostnaderna kommer att möjliggöra fler användningsområden.

Stabilitet

Speglarna i dagens lasrar är en av deras största svagheter. Dessa små komponenter måste vara perfekt kalibrerade och inriktade för att skapa den förväntade ljusstrålen. Minsta avvikelse från enhetens ursprungliga kalibrering kan göra den obrukbar. När lasrar används allt mer i stora kommersiella och militära tillämpningar finns en stark efterfrågan på lasrar med färre rörliga komponenter. Kväve-argonlasrar är en smart lösning.

Lättvikt

Lätt argon och kväve kan bidra till att minska lasrarnas totala vikt framöver. Lasrar används redan i många mikroskopiska enheter. Deras användningsskala begränsas dock av tillverkarnas förmåga att krympa kärnkomponenterna. Ett argonbaserat system skulle kräva betydligt mindre utrymme och väga mindre. Därför skulle sådana system kunna stödja nästa generations rymdfärder, nanoteknik och mycket annat.

Potentiella användningsområden

Det finns många tillämpningar för denna nya typ av laserljus. Från övervakning och skanning med LiDAR-system till att rikta in sig på cancerceller är världen redo för mer exakta och tillgängliga lasrar. Här är några möjliga användningsområden för dessa argonbaserade enheter.

Fjärrsensorteknik

Det främsta användningsområdet för bakåtriktad laserverkan i fri luft är att förbättra fjärranalys. Enheterna skulle kunna göra det möjligt att upptäcka de svagaste ljuspartiklarna när de växelverkar med kväve-argonblandningen. Därmed skulle de kunna bidra till känsligare solpaneler, säkerhetsutrustning och annat.

Hälsovård

Lasrar får allt fler medicinska användningsområden, från kirurgiska verktyg till hjärnavbildning, och förändrar hur mänskligheten behandlar sjukdomar och besvär. Mindre och enklare laserenheter som använder argon-kväveblandningar skulle kunna öppna för behandlingar med nanorobotar och andra vårdalternativ som i dag skulle verka hämtade ur science fiction.

Militärt bruk

Militären har experimenterat allt mer med lasrar under det senaste årtiondet. De betraktas som ett billigt alternativ till att skjuta dyra styrda robotar mot mål. Behovet har ökat när användningen av små och billiga drönare fått de flesta stora försvarsmakter att skyndsamt söka luftförsvarsalternativ med jämförbara kostnader, i stället för dyra robotsystem.

Forskningen skulle kunna användas för att skapa effektivare och kraftfullare lasrar som kräver mindre energi. I framtiden skulle enheterna kunna skydda soldater och civila från angrepp med drönare och styrda robotar. De skulle också kunna varna för annalkande fara och ge människor mer tid att söka skydd tillsammans med sina närstående.

Forskare

Studien om lasrar i fri luft med kväve och argon utfördes av forskare vid University of California Los Angeles (UCLA) och Max Born-institutet. Huvudförfattare är Zan Nie. Han fick hjälp av grupper ledda av Chan Joshi och Misha Ivanov, som också var medförfattare.

Två företag som kan dra nytta av forskning om öppna luftlasrar

Många företag är beroende av lasrar för att tillhandahålla sina tjänster. Lasrar används nästan överallt, från att öppna automatiska dörrar till att skanna matvaror. Det är lätt att glömma hur beroende världen är av tekniken. Här är några företag med framträdande marknadspositioner som skulle kunna integrera tekniken i framtiden för att förbättra lönsamheten.

1. Heico Corporation

HEI Prisdiagram

Heico Corporation (HEI ) (HEI-A ) är ett tillverkningsföretag inom flyg- och rymdteknik med säte i Florida som skulle kunna dra stor nytta av denna tekniska upptäckt. Företaget erbjuder produkter inom flera sektorer, bland annat medicin, telekommunikation, flyg, försvar, rymd och elektronik. Det är därför ett välkänt företag som har visat sig vara ett motståndskraftigt innehav att behålla för investerare.

Heico Corporation driver en enorm tillverkningsanläggning i Florida som omfattar konstruktion, tillverkning, reparation, distribution och försäljning av företagets olika produkter för flera branscher. Företaget har fortsatt att expandera efter förvärvet av divisionerna Aerial Delivery och Descent Devices från Capewell Aerial Systems. Detta drag befäste Heico Corporations ställning som en viktig aktör på flyg- och rymdmarknaderna.

Många investerare tror att Heico Corporation kommer att nå högt, däribland Berkshire Hathaway (BRK.A ) (BRK-B ), Warren Buffetts investeringsbolag. HEI har ett börsvärde på omkring 14 miljarder dollar, vilket väntas öka när efterfrågan på dess produkter stiger.

2. Laser Photonics Corporation

LASE Prisdiagram

Laser Photonics Corporation (LASE ) har sitt huvudkontor i Florida och är känt som en innovativ kraft inom laserteknik. Företaget erbjuder laserbaserade produkter som laserrengöringssystem, försvarsplattformar, komponenter för säkerhetsövervakning och professionella laserskärverktyg. Laser Photonics förekommer ofta på Fortune 500:s lista över ledande teknikföretag och har varit verksamt i över 30 år. Företaget har ingått strategiska partnerskap, bland annat med Fastenal Company (FAST ) för att leverera laserprodukter till marknaden.

Den senaste mekanismen för laserverkan i fri luft skulle kunna gynna Laser Photonics Corp under de kommande månaderna. Företaget skulle kunna få effektivare tillverkningsprocesser genom att slippa den tidskrävande kalibreringen av enheternas laserkaviteter. Företagets strävan efter framgång och ständiga innovation gör LASE till ett klokt tillskott i vilken portfölj som helst.

Öppna luftlasrar är bara början

Studien avslöjar en ny mekanism för energiomvandling med argon och kväve och öppnar samtidigt för annan banbrytande teknik, såsom kvantslag. Många anser därför att laget förtjänar betydligt mer erkännande för sitt arbete. Denna innovativa ingenjörsgrupp är nu redo att utöka testerna och upptäcka fler detaljer om den strålningskoppling som driver växelverkan.

Läs om andra spännande projekt nu