Un láser aleatorio (RL) es un láser en el que la retroalimentación óptica se proporciona mediante partículas dispersas . [1] Al igual que en los láseres convencionales, se requiere un medio de ganancia para la amplificación óptica. Sin embargo, a diferencia de las cavidades Fabry-Pérot y los láseres de retroalimentación distribuida , en los RL no se utilizan superficies reflectantes ni estructuras periódicas distribuidas, ya que la luz está confinada en una región activa por elementos difusivos que pueden o no estar distribuidos espacialmente dentro del medio de ganancia.
El principio principal detrás de un láser aleatorio es aumentar la trayectoria de la luz con medios desordenados; esto se puede hacer mediante medios desordenados difusivos o utilizando una fuerte localización en un medio desordenado, con un fondo activo del láser.
Se ha informado sobre láser aleatorio a partir de una gran variedad de materiales, por ejemplo, soluciones coloidales de colorantes y partículas de dispersión, [2] polvos semiconductores, [3] películas delgadas policristalinas de semiconductores, [4] fibras ópticas [5] y polímeros. [6] Debido a la emisión de salida con baja coherencia espacial y eficiencia de conversión de energía similar al láser , los RL son dispositivos atractivos para aplicaciones de iluminación energéticamente eficientes. [7] El concepto de láser aleatorio también se puede invertir en el tiempo, lo que da como resultado un antiláser aleatorio, [8] que es un medio desordenado que puede absorber perfectamente la radiación coherente entrante .
El principio de funcionamiento de los láseres RL ha sido ampliamente debatido y se han descrito diferentes enfoques teóricos (véanse las referencias en [9] ). Los elementos principales de un láser RL, como en los láseres convencionales, son la amplificación y la retroalimentación, donde la amplificación la proporciona el medio de ganancia bombeado y la retroalimentación las partículas dispersantes.
La retroalimentación distribuida es la arquitectura más utilizada, [1] [2] [3] [5] [6] en la que las partículas de dispersión se incrustan y se distribuyen aleatoriamente en el medio de ganancia. A diferencia de la retroalimentación distribuida, en los RL con retroalimentación localizada espacialmente, la ganancia y la retroalimentación están separadas espacialmente y el medio de ganancia está confinado por los medios de dispersión, que actúan como elementos de retroalimentación y acopladores de salida. [10] [11]
En ambas arquitecturas, existen resonancias y modos láser si se producen bucles cerrados con un número entero de longitudes de onda. Una partícula dispersante añade una contribución de fase aleatoria (impredecible) a la onda incidente. La onda dispersa se propaga y se vuelve a dispersar, añadiendo más contribuciones de fase aleatorias. Si todas las contribuciones de fase en un bucle cerrado suman un múltiplo entero de 2π a una determinada frecuencia, se permite que exista un modo de frecuencia a esa frecuencia.
Desde los primeros informes, se han observado dos firmas espectrales diferentes en las líneas de resonancia. La emisión no resonante (también denominada emisión incoherente o de solo amplitud ), caracterizada por un espectro con un pico único con un ancho de línea de unos pocos nanómetros, y la emisión resonante (también denominada emisión coherente ), caracterizada por múltiples picos estrechos con anchos de línea subnanométricos , distribuidos aleatoriamente en frecuencia.
La nomenclatura anterior se debe a la interpretación de los fenómenos, [12] ya que las resonancias agudas con anchos de línea subnanométricos observadas en el régimen resonante sugieren algún tipo de contribución de la fase óptica mientras que el régimen no resonante se entiende como una amplificación de la luz dispersa sin una relación de fase fija entre los fotones amplificados.
En general, los dos regímenes de operación se atribuyen a las propiedades de dispersión del elemento difusivo en los RL con retroalimentación distribuida: un medio débilmente (altamente) dispersante, que tiene un camino libre medio de transporte mucho mayor que (comparable a) la longitud de onda de emisión, produce una emisión láser aleatoria no resonante ( resonante ).
Recientemente se ha demostrado que el régimen de operación depende no solo del material en uso sino también del tamaño y la forma de la bomba. [11] [13] Esto sugirió que el régimen no resonante en realidad consiste en una gran cantidad de modos estrechos que se superponen en el espacio y la frecuencia y están fuertemente acoplados entre sí, colapsando en un solo espectro con pico con FWHM estrechado en comparación con la curva de ganancia y emisión espontánea amplificada . En el régimen resonante , se excitan menos modos, no compiten entre sí por la ganancia y no se acoplan entre sí.
La localización de Anderson es un fenómeno bien conocido que ocurre cuando los electrones quedan atrapados en una estructura metálica desordenada , y este metal pasa por una transición de fase de conductor a aislante . [14] Se dice que estos electrones están localizados por Anderson. Las condiciones para esta localización son que exista una densidad suficientemente alta de dispersores en el metal (otros electrones, espines , etc.) para hacer que los electrones libres sigan un único camino en bucle.
La analogía entre fotones y electrones ha alentado la visión de que los fotones que se difunden a través de un medio de dispersión también podrían considerarse localizados por Anderson. De acuerdo con esto, si se cumple el criterio de Ioffe-Regel [15] , que describe la relación entre el vector de onda del fotón k y el camino libre medio (de un fotón que no choca con nada) l : kl < 1, entonces existe una probabilidad de que los fotones queden atrapados de la misma manera que se observa que los electrones quedan atrapados bajo la localización de Anderson. De esta manera, mientras el fotón está atrapado, los dispersores pueden actuar como una cavidad óptica. El medio de ganancia en el que se encuentran los dispersores permitirá que se produzca la emisión estimulada. Como en un láser ordinario, si la ganancia es mayor que las pérdidas incurridas, se romperá el umbral láser y se puede producir la emisión láser.
Los fotones que viajan en este bucle también se interferirán entre sí. La longitud de cavidad bien definida (1–10 μm) garantizará que la interferencia sea constructiva y permitirá que ciertos modos oscilen. La competencia por la ganancia permite que un modo oscile una vez que se ha alcanzado el umbral de emisión láser.
Sin embargo, la teoría muestra que, en el caso de la dispersión múltiple en medios aleatorios amplificadores, la localización de Anderson de la luz no se produce en absoluto, aunque el cálculo de las interferencias es esencial para demostrar ese hecho. Por el contrario, se pueden demostrar los llamados procesos de localización débil, pero se discute intensamente si esos mecanismos desempeñan o no un papel clave en las estadísticas de los modos. [ cita requerida ]
Estudios recientes [ cita requerida ] muestran que estos procesos de localización débiles no son los fenómenos que determinan el inicio de la emisión láser aleatoria. La emisión láser aleatoria ocurre para kl > 1. [ cita requerida ] Esto concuerda con los hallazgos experimentales. [ cita requerida ] Aunque el viaje de la luz en "bucles cerrados" explicaría intuitivamente la aparición de puntos de emisión láser confinados, aún queda abierta la cuestión de si, por ejemplo, los procesos de emisión estimulada están correlacionados con esos procesos. [ cita requerida ]
Sin embargo, la teoría de las "cavidades preformadas" no está confirmada.
Las cantidades típicas de medio de ganancia necesarias para superar el umbral láser dependen en gran medida de la densidad del dispersor.
Este campo es relativamente joven y, como tal, no tiene muchas aplicaciones concretas. Sin embargo, los láseres aleatorios basados en ZnO son candidatos prometedores para láseres UV de bombeo eléctrico, biosensores y procesamiento de información óptica. Esto se debe al bajo costo de producción y a que se ha observado que la temperatura óptima para la producción de sustratos es de alrededor de 500 °C para polvos. Esto contrasta con la producción de un cristal láser ordinario a temperaturas superiores a 700 °C.
También se ha señalado como posible aplicación el uso de láseres aleatorios para el estudio de la acción del láser en sustancias que no se pueden producir en forma de grandes cristales homogéneos. Además, en rangos de frecuencia en los que no se dispone de espejos de alta reflectividad (por ejemplo, rayos gamma, rayos X), la retroalimentación proporcionada por un medio de dispersión adecuado se puede utilizar como alternativa a la acción del láser. Muchas de estas aplicaciones propuestas antes de 2005 ya han sido revisadas por Noginov. [16] En 2015, Luan y sus colaboradores destacaron algunas de ellas, con énfasis en las demostradas recientemente, [17] incluyendo códigos de barras fotónicos, optomicrofluídica, baterías ópticas, diagnóstico de cáncer, bioimagen libre de motas, espectrómetro aleatorio en chip, microscopía/espectroscopía resuelta en el tiempo, detección, identificación amigo-enemigo, etc. Además, el láser aleatorio está naturalmente dotado de dos superioridades clave, a saber, intensidad a nivel láser y emisiones de ángulo amplio, que son mutuamente excluyentes en fuentes de luz térmica, diodos emisores de luz (LED) y láseres típicos. Se cree que el láser aleatorio es una fuente de iluminación prometedora y avanzada para la iluminación láser, [18] y la obtención de imágenes sin motas. [19]