Случай с лазером
Физикам из Института квантовой электроники в Цюрихе вместе с коллегами из Йельского университета удалось создать законченную теорию случайных лазеров. Теперь этим экзотическим устройствам, которые потенциально могут быть использованы во множестве коммерческих приложений, легче проторить дорогу в заводские цеха.
Если с теорией изобретенных в шестидесятые годы обычных лазеров давно все более-менее благополучно, то как работают так называемые случайные лазеры, появившиеся в середине девяностых, ученым до сих пор было не совсем понятно. В обычном лазере всегда есть оптический резонатор (в простейшем случае это пара зеркал), который определяет длину волны излучения. Между зеркалами в резонаторе находится активная среда в виде газа, кюветы с красителем, прозрачного стекла или кристалла с примесями. Атомы или молекулы активной среды специально возбуждаются светом накачки или, например, электронным ударом так, чтобы они могли излучать свет в районе частоты резонатора. В резонаторе свет, многократно отражаясь от зеркал, проходит сквозь среду, заставляя ее излучать еще и еще, причем согласованно с определяемой резонатором электромагнитной волной. Так за счет положительной обратной связи в резонаторе свет усиливается, и возникает когерентное лазерное излучение.
В случайном лазере резонатора нет вовсе, и он не генерирует тонкий луч, а светит в разные стороны. Но его активная среда обычно хорошо рассеивает излучение. В результате фотоны, блуждая по среде, прежде чем ее покинуть, много раз встречают возбужденные атомы и снова заставляют их излучать, усиливая излучение. Это отдаленно напоминает процесс размножения нейтронов в ядерном реакторе. Однако процесс многократного рассеяния в неоднородной среде описать гораздо сложнее, чем стоячую волну в резонаторе. Поэтому эксперименты часто преподносили непонятные сюрпризы. Например, добавление рассеивающих частиц в обычный случайный лазер на красителях вопреки ожиданиям снижало его эффективность.
Теперь ученым, наконец, удалось корректно описать физические процессы в случайных лазерах разных типов, правильно учтя рассеяние излучения. Кроме этого, теория вполне подходит для описания лазеров, у которых в качестве резонатора используется фотонный кристалл.
Приложения у таких лазеров могут быть самые неожиданные. Например, можно сделать миниатюрный температурный датчик, представляющий собой просто кусочек специальной чувствительной к температуре активной среды, закрепленный в нужном месте. Если ее накачать, например, посветив обычным лазером, то цвет излучения случайного лазера будет определяться температурой кусочка и легко может быть считан на расстоянии.
