Физики из Университета Ла-Сапиенца (Рим, Италия) сконструировали лазер, параметры излучения которого регулируются… механическим встряхиванием.

Разработка классифицируется как «случайный» лазер. Такие устройства с неупорядоченной активной средой, обеспечивающей многократное рассеяние фотонов, не имеют оптического резонатора, определяющего структуру излучения обычных лазеров, но физическая основа их действия — явление вынужденного испускания — остаётся вполне традиционной.

Схема экспериментов (иллюстрация из журнала Physical Review Letters).

В процессе работы «случайного» лазера рассеивающие частицы могут смещаться и занимать разное положение, каким-то образом модифицируя его излучение. Чтобы исследовать эту связь, исследователи подготовили активную среду с относительно крупными рассеивающими элементами: в жидкий раствор флюоресцентного красителя родамина Б были помещены ~1 500 металлических сфер диаметром в 1 мм. Образец устанавливался на соединённой с динамиком виброплощадке, амплитуда колебаний которой (a) выбиралась из диапазона [0, 1], где величина 0,1, к примеру, соответствует ускорению в 15g и амплитуде в 0,76 мм.

Предварительные эксперименты показали, что увеличение амплитуды до 0,1 переводит образец в «газообразное» состояние (частицы приобретают энергию, достаточную для равномерного распределения по всему предоставленному им объёму). Запомнив это, учёные приступили к основной серии опытов, в которой на образец сбоку направлялось излучение Nd:YAG-лазера накачки. При измерениях варьировались амплитуда вибрации, энергия накачки и вертикальное положение лазерного пучка.

Спектры излучения образца, снятые при энергии накачки в 1,6 (слева) и 3,7 мДж (иллюстрация из журнала Physical Review Letters).

На рисунке выше показаны результаты одного из последних экспериментов, в котором пучок накачки проходил у верхней границы образца. Хорошо видно, что лазерная генерация в состоянии покоя или вибрации с малой амплитудой (a = 0 или 0,07) отсутствует, и в спектре наблюдается только широкий пик флюоресценции родамина в области 590 нм. Причины этого очевидны: металлические сферы не добираются до высоты в 13 мм, на которой расположен пучок накачки. Однако с ростом a в спектре появлялся новый пик на 600 нм, и «случайный» лазер начинал работать.

Более интересные эффекты были обнаружены при увеличении энергии накачки до 3,7 мДж. Здесь подъём амплитуды до 0,1 приводил к появлению сразу двух пиков сравнимой интенсивности: уже знакомого нам, локализованного на 600 нм, и абсолютно нового — на 620 нм, исчезавшего при дальнейшем росте a. Встряхивание, таким образом, позволяло не только включать и выключать лазер, но и управлять структурой его излучения.