Neue Stickstoff-Argon-Laserstudie unter freiem Himmel könnte die Laser-Community verändern

Ein Forscherteam der University of California Los Angeles (UCLA) und des Max-Born-Instituts veröffentlichte eine Studie, die die Verwendung von Stickstoff und Argon zur Erzeugung von Laserlicht demonstriert.

A team of researchers from the University of California Los Angeles (UCLA) and the Max Born Institute have published a study demonstrating the use of Nitrogen and Argon to create laser light. The study builds on decades of research into the field of creating open-air lasers, which could one day help to improve sensors, robotics, and much more.

Ein Forscherteam der University of California Los Angeles (UCLA) und des Max-Born-Instituts hat eine Studie veröffentlicht, die die Verwendung von Stickstoff und Argon zur Erzeugung von Laserlicht demonstriert. Die Studie baut auf jahrzehntelanger Forschung auf dem Gebiet der Entwicklung von Freiluftlasern auf, die eines Tages zur Verbesserung von Sensoren, Robotik und vielem mehr beitragen könnten.

Here's what you need to know.

Folgendes müssen Sie wissen:

Laser Tech

Lasertechnik

For decades, the primary way lasers operated was by shooting a beam of light through an optical cavity at a pair of mirrors. These mirrors are constructed and angled in a manner that enables the light to be bounced back and forth between the devices. This bouncing action amplifies the intensity of that light, creating the focused beam you see.

Jahrzehntelang bestand die Hauptfunktion von Lasern darin, einen Lichtstrahl durch einen optischen Hohlraum auf ein Spiegelpaar zu schießen. Diese Spiegel sind so konstruiert und abgewinkelt, dass das Licht zwischen den Geräten hin und her reflektiert werden kann. Dieser Sprungvorgang verstärkt die Intensität dieses Lichts und erzeugt den fokussierten Strahl, den Sie sehen.

Open-Air Lasers

Open-Air-Laser

Since the beginning of laser research, there have been engineers seeking to create laser light without the use of amplification cavities and mirrors. Within this research, there is a subsection of engineers who seek to create open-air lasers. These devices utilize interactions between particles excited by intense light to form laser light. Until recently, this scientific concept was not possible. However, it appears that the tides have changed following the publication of this recent study.

Seit Beginn der Laserforschung versuchen Ingenieure, Laserlicht ohne den Einsatz von Verstärkungshohlräumen und Spiegeln zu erzeugen. Innerhalb dieser Forschung gibt es eine Untergruppe von Ingenieuren, die die Entwicklung von Freiluftlasern anstreben. Diese Geräte nutzen Wechselwirkungen zwischen Partikeln, die durch intensives Licht angeregt werden, um Laserlicht zu erzeugen. Bis vor Kurzem war dieses wissenschaftliche Konzept nicht möglich. Es scheint jedoch, dass sich das Blatt nach der Veröffentlichung dieser aktuellen Studie geändert hat.

Nitrogen Argon Open-Air Laser Study

Stickstoff-Argon-Laserstudie unter freiem Himmel

The study delves into using Nitrogen and Argon mixtures to induce cavity-free lasing in atmospheric air. The study, published in Physical Review Letters, introduces the concept and a working model that accomplished photon-mediated energy transference between N2 and Ar, resulting in a superfluorescence response.

Die Studie befasst sich mit der Verwendung von Stickstoff- und Argonmischungen, um hohlraumfreies Lasern in atmosphärischer Luft zu induzieren. Die in Physical Review Letters veröffentlichte Studie stellt das Konzept und ein Arbeitsmodell vor, das eine photonenvermittelte Energieübertragung zwischen N2 und Ar bewerkstelligte, was zu einer Superfluoreszenzreaktion führte.

The team's research looks at many different concepts, as ambient air has different components that could make a superfluorescent response. To verify that Argon and Nitrogen were the active components in the response, the team needed to monitor the coupling of the two in an oxygen-stable environment. The tests revealed some interesting results, including bidirectional lasing effects, which opened the door for a variety of new scientific experiments to begin.

Die Forschung des Teams befasst sich mit vielen verschiedenen Konzepten, da die Umgebungsluft verschiedene Komponenten enthält, die eine Superfluoreszenzreaktion hervorrufen könnten. Um zu verifizieren, dass Argon und Stickstoff die aktiven Komponenten der Reaktion waren, musste das Team die Kopplung der beiden in einer sauerstoffstabilen Umgebung überwachen. Die Tests brachten einige interessante Ergebnisse zutage, darunter bidirektionale Lasereffekte, die den Beginn einer Vielzahl neuer wissenschaftlicher Experimente ermöglichten.

Open-Air Lasers – Testing

Freiluftlaser – Testen

The testing started with engineers using a 261 nm pump laser to excite the gases. The goal was to gain a deeper understanding of why the mixture of argon undergoes a reduction in ionization rate. This test led to the engineers focusing on the 3-photon resonant absorption of 261 nm photons in Ar. Here they discovered a direct correlation with the bidirectional lasing effect.

Die Tests begannen damit, dass Ingenieure einen 261-nm-Pumplaser zur Anregung der Gase verwendeten. Ziel war es, ein tieferes Verständnis dafür zu gewinnen, warum die Ionisierungsrate des Argongemischs abnimmt. Dieser Test führte dazu, dass sich die Ingenieure auf die 3-Photonen-Resonanzabsorption von 261-nm-Photonen in Ar konzentrierten. Hier entdeckten sie einen direkten Zusammenhang mit dem bidirektionalen Lasereffekt.

This bidirectional cascading lasing effect was tested using a variety of parameters to ensure the details of the conversion were recorded. The test revealed that mixing nitrogen with argon created the desired response, whereas other mixtures didn’t produce any bidirectional laser light pulse. Zooming in revealed that 3-photon absorption of 261 nm photons by Ar atoms specifically creates emission of cascaded superfluorescence. This revelation was a major discovery as it was previously unknown that a photon-mediated mechanism that transfers energy from N2 to Ar was a possibility.

Dieser bidirektionale kaskadierende Lasereffekt wurde mit verschiedenen Parametern getestet, um sicherzustellen, dass die Details der Umwandlung aufgezeichnet wurden. Der Test ergab, dass das Mischen von Stickstoff mit Argon die gewünschte Reaktion hervorrief, während andere Mischungen keinen bidirektionalen Laserlichtimpuls erzeugten. Das Heranzoomen ergab, dass die 3-Photonen-Absorption von 261-nm-Photonen durch Ar-Atome speziell die Emission kaskadierter Superfluoreszenz erzeugt. Diese Entdeckung war eine wichtige Entdeckung, da bisher nicht bekannt war, dass ein photonenvermittelter Mechanismus, der Energie von N2 auf Ar überträgt, möglich ist.

The next steps began with frequency testing. Researchers shifted through different frequencies until they noticed that nitrogen molecules exhibit nonlinear-3-photon absorption in an electronically excited state when exposed for 261 nm to Argon resonating at a slightly different frequency. This data was then gathered to be used to create new formulas to model future experiments.

Die nächsten Schritte begannen mit Frequenztests. Die Forscher wechselten zwischen verschiedenen Frequenzen, bis sie bemerkten, dass Stickstoffmoleküle in einem elektronisch angeregten Zustand eine nichtlineare 3-Photonen-Absorption zeigen, wenn sie 261 nm lang Argon ausgesetzt werden, das bei einer leicht anderen Frequenz resoniert. Diese Daten wurden dann gesammelt, um neue Formeln zur Modellierung zukünftiger Experimente zu erstellen.

Results

Ergebnisse

The study shows some promising results that could upend the laser community. For one, the team successfully produced bidirectional cascaded lasting effects in atmospheric air. Specifically, the engineers were able to create two colored, bidirectional lasings via an open-air cavity-free setup.

Die Studie zeigt einige vielversprechende Ergebnisse, die die Laser-Community auf den Kopf stellen könnten. Zum einen gelang es dem Team, bidirektionale, kaskadierte Dauereffekte in der atmosphärischen Luft zu erzeugen. Konkret gelang es den Ingenieuren, zwei farbige, bidirektionale Laser über einen hohlraumfreien Freiluftaufbau zu erzeugen.

The research also sheds light on some unexpected discoveries. For one, the team noticed that the amount of oxygen used during the mixture affected the interaction between the argon and nitrogen molecules. Their research shows that a 1% O2 mixture is ideal for cavity-free, bidirectional, and laser-like emission.

Die Forschung wirft auch Licht auf einige unerwartete Entdeckungen. Zum einen stellte das Team fest, dass die Menge an Sauerstoff, die während der Mischung verwendet wurde, die Wechselwirkung zwischen den Argon- und Stickstoffmolekülen beeinflusste. Ihre Forschung zeigt, dass eine 1-prozentige O2-Mischung ideal für eine hohlraumfreie, bidirektionale und laserähnliche Emission ist.

Open-Air Laser Benefits

Vorteile von Open-Air-Lasern

This technology brings several benefits to the market. For one, it enables the creation of lasers with less mechanical parts. Open-air lasers will require less technical and manufacturing to produce. These lower costs will result in more use-case applications.

Diese Technologie bringt dem Markt mehrere Vorteile. Einerseits ermöglicht es die Herstellung von Lasern mit weniger mechanischen Teilen. Die Produktion von Freiluftlasern wird einen geringeren technischen und fertigungstechnischen Aufwand erfordern. Diese geringeren Kosten werden zu mehr Anwendungsfällen führen.

Stability

Stabilität

The use of mirrors in today's lasers is one of their greatest weaknesses. These tiny devices need to be calibrated perfectly and aligned to create the beam of light you expect. Any small deviation from the unit's original calibration can result in the device becoming useless. As the use of lasers continues to expand into large commercial and military applications, there is a strong demand for lasers with less moving components. Nitrogen Argon lasers are a smart solution.

Die Verwendung von Spiegeln in heutigen Lasern ist eine ihrer größten Schwächen. Diese winzigen Geräte müssen perfekt kalibriert und ausgerichtet werden, um den erwarteten Lichtstrahl zu erzeugen. Jede kleine Abweichung von der ursprünglichen Kalibrierung des Geräts kann dazu führen, dass das Gerät unbrauchbar wird. Da der Einsatz von Lasern in großen kommerziellen und militärischen Anwendungen immer weiter zunimmt, besteht eine starke Nachfrage nach Lasern mit weniger beweglichen Komponenten. Stickstoff-Argon-Laser sind eine intelligente Lösung.

Light Weight

Geringes Gewicht

Using lightweight Argon and Nitrogen will help reduce the overall weight of lasers moving forward. Lasers Are already in use on many microscopic devices. However, they are limited in the scale of operation based on the manufacturer's capabilities to shrink down the core components. An Argon-based system would require much less space and weigh less. As such, they could help power next-gen space travel, nanotech, and much more.

Die Verwendung von leichtem Argon und Stickstoff wird dazu beitragen, das Gesamtgewicht künftiger Laser zu reduzieren. Laser werden bereits in vielen mikroskopischen Geräten eingesetzt. Aufgrund der Möglichkeiten des Herstellers, die Kernkomponenten zu verkleinern, sind ihre Einsatzmöglichkeiten jedoch begrenzt. Ein Argon-basiertes System würde viel weniger Platz benötigen und weniger wiegen. Als solche könnten sie dazu beitragen, die Raumfahrt der nächsten Generation, Nanotechnologie und vieles mehr voranzutreiben.

Potential use Applications

Mögliche Verwendungszwecke

There are many applications for this new style of laser light. From monitoring and

Es gibt viele Anwendungen für diese neue Art von Laserlicht. Von der Überwachung und