新しい窒素-アルゴン野外レーザー研究はレーザーコミュニティを変える可能性がある

カリフォルニア大学ロサンゼルス校 (UCLA) とマックス ボーン研究所の研究者チームは、レーザー光の生成に窒素とアルゴンを使用することを実証する研究を発表しました。

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.

カリフォルニア大学ロサンゼルス校 (UCLA) とマックス ボーン研究所の研究者チームは、レーザー光の生成に窒素とアルゴンを使用することを実証する研究を発表しました。この研究は、屋外レーザーの作成分野に関する数十年にわたる研究に基づいており、いつかセンサーやロボット工学などの改善に役立つ可能性があります。

Here's what you need to know.

知っておくべきことは次のとおりです。

Laser Tech

レーザー技術

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.

何十年もの間、レーザーの主な動作方法は、光キャビティを介して一対のミラーに光ビームを照射することでした。これらのミラーは、光がデバイス間で往復できるように構成され、角度が付けられています。この跳ね返り動作により光の強度が増幅され、目に見える集束ビームが生成されます。

Open-Air Lasers

野外レーザー

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.

レーザー研究が始まって以来、増幅空洞やミラーを使用せずにレーザー光を生成しようとする技術者たちがいました。この研究の中には、オープンエア レーザーの作成を目指すエンジニアのサブセクションがあります。これらのデバイスは、強力な光によって励起された粒子間の相互作用を利用してレーザー光を形成します。最近まで、この科学的概念は不可能でした。しかし、この最近の研究発表以降、潮目が変わったようだ。

Nitrogen Argon Open-Air Laser Study

窒素アルゴン野外レーザー研究

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.

この研究では、窒素とアルゴンの混合物を使用して大気中で空洞のないレーザー発振を誘発する方法について詳しく調査しています。 Physical Review Letters に掲載されたこの研究では、N2 と Ar の間で光子を介したエネルギー移動を実現し、超蛍光応答を引き起こす概念と実用モデルが紹介されています。

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.

周囲の空気には超蛍光反応を引き起こす可能性のあるさまざまな成分が含まれているため、チームの研究ではさまざまな概念を検討しています。アルゴンと窒素が応答の活性成分であることを確認するために、チームは酸素が安定した環境でこれら 2 つの結合を監視する必要がありました。このテストでは、双方向レーザー効果など、いくつかの興味深い結果が明らかになり、さまざまな新しい科学実験を開始するための扉が開かれました。

Open-Air Lasers – Testing

野外レーザー – テスト

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.

テストは、エンジニアが 261 nm ポンプ レーザーを使用してガスを励起することから始まりました。目標は、アルゴン混合物がイオン化率の低下を起こす理由をより深く理解することでした。このテストにより、エンジニアは Ar における 261 nm 光子の 3 光子共鳴吸収に注目するようになりました。ここで彼らは、双方向レーザー効果との直接的な相関関係を発見しました。

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.

この双方向カスケード レーザー効果は、変換の詳細が確実に記録されるように、さまざまなパラメーターを使用してテストされました。このテストでは、窒素とアルゴンを混合すると望ましい応答が得られるが、他の混合物では双方向レーザー光パルスが生成されないことが明らかになりました。ズームインすると、Ar 原子による 261 nm 光子の 3 光子吸収により、カスケード超蛍光の発光が特に発生することが明らかになりました。 N2 から Ar にエネルギーを伝達する光子媒介メカニズムの可能性がこれまで知られていなかったため、この発見は大きな発見でした。

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.

次のステップは、周波数テストから始まりました。研究者らは、わずかに異なる周波数で共鳴するアルゴンに 261 nm 暴露すると、窒素分子が電子励起状態で非線形 3 光子吸収を示すことに気づくまで、さまざまな周波数を移動しました。このデータはその後、将来の実験をモデル化するための新しい式を作成するために収集されました。

Results

結果

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.

この研究は、レーザーコミュニティを一変させる可能性のあるいくつかの有望な結果を示しています。その 1 つは、チームが大気中で双方向のカスケード型持続効果を生み出すことに成功したことです。具体的には、エンジニアは、オープンエアの空洞のないセットアップにより、2 色の双方向レーザー発振器を作成することができました。

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.

この研究では、いくつかの予期せぬ発見も明らかになりました。まず、チームは、混合中に使用される酸素の量がアルゴンと窒素の分子間の相互作用に影響を与えることに気づきました。彼らの研究では、1% の O2 混合物が空洞のない双方向のレーザーのような放射には理想的であることが示されています。

Open-Air Laser Benefits

野外レーザーの利点

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.

このテクノロジーは市場にいくつかのメリットをもたらします。 1 つは、機械部品を減らしてレーザーを作成できることです。オープンエアレーザーは、製造に必要な技術や製造が少なくなります。これらのコストの削減により、より多くのユースケース アプリケーションが実現されます。

Stability

安定性

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.

今日のレーザーでのミラーの使用は、レーザーの最大の弱点の 1 つです。これらの小さなデバイスは、期待する光のビームを作成するために完全に調整され、調整される必要があります。ユニットの元のキャリブレーションからわずかにでも逸脱すると、デバイスが役に立たなくなる可能性があります。レーザーの使用が大規模な商業用途や軍事用途に拡大し続けるにつれて、可動部品の少ないレーザーに対する強い需要があります。窒素アルゴンレーザーは賢いソリューションです。

Light Weight

軽量

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.

軽量のアルゴンと窒素を使用すると、今後のレーザー全体の重量を軽減することができます。レーザーはすでに多くの顕微鏡デバイスで使用されています。ただし、コアコンポーネントを縮小するメーカーの能力に基づいて、運用規模が制限されます。アルゴンベースのシステムは、必要なスペースと重量がはるかに少なくなります。したがって、それらは次世代の宇宙旅行やナノテクノロジーなどを推進するのに役立つ可能性があります。

Potential use Applications

潜在的な使用用途

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

この新しいスタイルのレーザー光には多くの用途があります。モニタリングや