Um Licht zu erzeugen, verwenden Laser normalerweise optische Hohlräume, einander gegenüberliegende Spiegelpaare, die das Licht verstärken, indem sie es hin und her reflektieren. In jüngster Zeit haben einige Physiker die Erzeugung von „Laserlicht“ in freier Luft ohne den Einsatz optischer Hohlräume untersucht, ein Phänomen, das als hohlraumfreies Lasern in atmosphärischer Luft bekannt ist.
Forscher der University of California Los Angeles (UCLA) und des Max Born Institute haben kürzlich einen physikalischen Mechanismus enthüllt, der zu diesem Phänomen führt. Dieser Mechanismus, der in einem Papier In Briefe zur körperlichen Überprüfungbesteht aus der photonenvermittelten Energieübertragung von Stickstoff (N2) auf Argon (Ar).
„Wir bemerkten, dass es im Hochfeld-Ionisationsregime (unter Verwendung eines 261 nm-Pumplasers) eine bisher unbekannte Verringerung der Ionisationsrate von Argon zu geben schien, verglichen mit der von der PPT-Theorie oder der zeitabhängigen Schrödinger-Gleichung vorhergesagten“, sagte Chan Joshi, Co-Autor des Artikels, gegenüber Phys.org. „Wir wollten herausfinden, ob die 3-Photonen-Resonanzabsorption von 261 nm-Photonen in Argon bei der Verringerung eine Rolle spielen könnte.“
Die aktuelle Studie von Joshis Kollegen baut auf den früheren experimentellen Bemühungen des Teams auf. Bei der Durchführung ihrer neuen Experimente beobachtete das Team, dass auf die 3-Photonen-Absorption von 261 nm-Photonen durch Argon-Atome die Emission einer kaskadierten Superfluoreszenz folgt, genauer gesagt einer hohlraumfreien, bidirektionalen und laserähnlichen Emission.
„Darüber hinaus haben wir unerwarteterweise entdeckt, dass die kaskadierte Superfluoreszenz die Wellenlänge wechselt, wenn wir Luft verwenden, die 1 % Argon enthält“, sagte Zan Nie, der Hauptautor des Artikels. „Die weitere Untersuchung dieses merkwürdigen Effekts hat einen neuen Luftlasermechanismus aufgedeckt, der den Strahlungsenergietransfer von Stickstoff auf Argon erleichtert.“
Der von Joshi und seinen Kollegen entdeckte neue Mechanismus ermöglichte bidirektionales, zweifarbiges, kaskadiertes Lasern in der Atmosphäre. Dieser Mechanismus könnte somit neue Wege für die Erzeugung von Rückwärts-Luftlasern eröffnen, was in der Physikgemeinde schon lange ein Forschungsziel ist.
„Da Umgebungsluft aus verschiedenen Bestandteilen besteht, untersuchten wir dieses Problem, indem wir zunächst Argon mit verschiedenen Bestandteilen der Umgebungsluft mischten, zum Beispiel mit den am häufigsten und am zweithäufigsten vorkommenden Bestandteilen: Stickstoff und Sauerstoff“, erklärte Joshi. „Es stellte sich heraus, dass das Mischen von Stickstoff mit Argon dieselben Ergebnisse zeigte wie die Verwendung von Umgebungsluft, während das Mischen anderer Gase wie Sauerstoff oder Helium nicht dieselben Ergebnisse zeigte. Aus diesem Vergleichsexperiment können wir daher schlussfolgern, dass der Ursprung der Luftlasereffekte auf die Kopplung zwischen Argon und Stickstoff zurückzuführen ist.“
Joshi und seine Kollegen zeigten auch, dass N2-Moleküle in einem elektronisch angeregten Zustand eine nichtlineare 3-Photonen-Absorption bei 261 nm bei leicht verschobenen Frequenzen als Ar aufweisen. Diese Verschiebung dient als oberer angeregter Zustand für die kaskadierte Superfluoreszenz, die das Team beobachtete. In ihrem Artikel stellen die Forscher ein theoretisches Modell vor, das die Superfluoreszenz und ihre zugrundeliegenden Mechanismen erklärt.
„Die Suche nach effizienter, hohlraumfreier Laserstrahlung im Freien dauert schon seit über einem Jahrzehnt an“, sagte Misha Ivanov, Co-Autor des Artikels. „Das wichtigste – und ziemlich anspruchsvolle – Ziel ist es, Laserstrahlung in beide Richtungen zu erreichen. Das heißt, man möchte einen Laser in die Luft schießen und die Luft dazu bringen, einen laserähnlichen Lichtblitz auf einen zurückzuschicken. Das wäre für die Fernerkundung sehr nützlich, aber es ist einfach unglaublich cool.“
Diese aktuelle Studie von Nie, Ivanov, Joshi und ihren Kollegen enthüllte einen bisher unbekannten photonenvermittelten Mechanismus, der Energie von N2 auf Argon überträgt und so letztlich bidirektionale kaskadierte Laserstrahlung in der Atmosphäre ermöglicht. In Zukunft könnte dieser Mechanismus genutzt werden, um rückwärts gerichtete Luftlaserstrahlung zu realisieren, was neue Möglichkeiten für die Entwicklung von Fernerkundungstechnologien eröffnen könnte.
„Unser Plan für zukünftige Forschungen ist es, die detaillierte Physik dieses Mechanismus, wie etwa die Quantenschwingung, weiter zu untersuchen“, fügte Nie hinzu. „Einfach ausgedrückt erzeugt die gleichzeitige Anregung mehrerer Argon-Niveaus zeitabhängige Schwingungen der Ladungsdichte. Die Frequenzen dieser Schwingungen können die Existenz bisher unbekannter Argon-Niveaus, aber auch der Schwingungs-Rotations-Niveaus von Stickstoff aufdecken, die für den Strahlungskopplungsprozess wichtig sind.
„Wir haben auch Ideen, wie wir die Effizienz des Rückwärts-Luftlasereffekts steigern können, um diese Technik näher an reale Anwendungen der Fernerkundung heranzuführen.“
Weitere Informationen:
Nie, Z. et al. Bidirektionale kaskadierte Superfluoreszenzlaser in Luft, ermöglicht durch resonanten Austausch dritter Harmonischer Photonen von Stickstoff zu Argon, Briefe zur körperlichen Überprüfung (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.063201. An arXiv: arxiv.org/abs/2405.04089
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