Физики уже много лет изучают мыльные пузыри, привлеченные их замечательными геометрическими свойствами как минимальных поверхностей, способом их колебания и великолепными интерференционными картинами, образующимися на их поверхности.
На этом фоне в Люблянском университете (Словения) был сделан удивительный прорыв: мыльные пузыри превращены в лазеры! Это достижение, сочетающее в себе простоту и инновации, может принести пользу технологиям обнаружения и измерения. Оно также демонстрирует, как повседневные предметы могут быть переосмыслены для использования в научных целях. Подробности опубликованы в журнале .
Пузыри превращаются в лазеры?
Мыльные пузыри, которые часто ассоциируются с их хрупкой природой и мимолетной эстетикой, были заново изобретены Матьяжем Хумаром и Залой Поточник, исследователями из Люблянского университета. Их превращение в лазеры представляет собой инновационный процесс, который начинается с добавления флуоресцентного красителя в мыльный раствор, традиционно используемый для создания пузырей. Этот этап очень важен, поскольку краситель играет ключевую роль в генерации лазерного луча.
После того как пузырьки сформированы, они подвергаются воздействию источника света. В результате облучения через краситель и характеристики мыльного пузыря формируется более концентрированный пучок света (лазер). Сам мыльный пузырь действует как полость, пространство, внутри которого свет может отражаться. Это внутреннее отражение является основой работы лазера. В традиционных лазерах эта полость часто формируется зеркалами, расположенными на противоположных концах.
Внутренняя поверхность пузырька действует как естественное зеркало, позволяя свету отражаться внутри пузырька. Такое многократное отражение необходимо для увеличения интенсивности лазерного луча. Наконец, оптическая обратная связь поддерживает и стабилизирует свет внутри полости. В лазерах на мыльных пузырях этот механизм естественным образом интегрирован благодаря сферической форме пузыря, что позволяет свету циркулировать непрерывно и усиливаться с каждым проходом.
Результатом этого процесса является миниатюрный лазер, заметно отличающийся от обычных лазеров по структуре и принципу действия.
Простой и доступный процесс
Простота этого прорыва поражает. По словам Хумара, для создания лазера из мыльного пузыря не требуется никаких специализированных материалов или оборудования. Напротив, для этого необходимы обычные, легкодоступные ингредиенты.
Хумар отмечает, что практически любой мыльный пузырь может быть превращен в лазер. Неважно, используется ли для этого обычное мыло для рук или смеси, предназначенные для детских игр, — процесс все равно остается эффективным. Такая доступность потенциально делает использование лазеров доступным для множества применений и исследований даже вне специализированных лабораторий.
Секрет: пузырьки, усиленные жидкими кристаллами
Эксперименты с жидкими кристаллами, проведенные учеными Люблянского университета, позволили выявить ключевые процессы стабилизации пузырьковых лазеров. Жидкие кристаллы, известные своими уникальными свойствами переориентации под воздействием электрических полей или колебаний температуры, предлагают инновационное решение для повышения долговечности и надежности пузырьковых лазеров.
Жидкие кристаллы усиливают структуру пузырька. Они изменяют консистенцию и состав мембраны, снижая вероятность ее деформации или разрыва. Такая стабилизация очень важна, поскольку точность и эффективность лазера в значительной степени зависят от постоянства его полости, в данном случае мыльного пузыря.
Наиболее примечательным аспектом этих лазеров с жидкокристаллическим усилением является их чрезвычайная чувствительность к изменениям окружающей среды. Размер и форма мыльного пузыря зависят от таких факторов, как атмосферное давление и окружающие электрические поля. Пузырьковые лазеры, обладающие тонкой и точной структурой, позволяют обнаруживать мельчайшие изменения основных параметров лазера. Например, небольшое изменение давления может привести к едва заметному изменению размера или формы пузырька, что сразу же может быть обнаружено измерительной системой, работающей на основе лазерного луча.
Авторы поясняют, что их лазеры могут измерять изменения давления до 0,001% от атмосферного и обнаруживать мельчайшие электрические поля. Мигель Бандрес из Университета Центральной Флориды подчеркивает оригинальность этого подхода: «Они творчески объединили концепцию кольцевых микролазеров с совершенно новой платформой, открывающей путь к множеству новых применений«. Этот прорыв может внести значительный вклад в область сенсоров и даже открыть путь к прямым технологическим инновациям.