ليزر عشوائي

في علم الليزر ، يُعرف الليزر العشوائي ( RL ) بأنه ليزر يتم فيه توفير التغذية الراجعة الضوئية عن طريق جسيمات مُشتتة . ^{[ 1 ]} وكما هو الحال في الليزر التقليدي، يتطلب الليزر العشوائي وسطًا مُضخِّمًا للتضخيم الضوئي . ومع ذلك، وعلى عكس تجاويف فابري-بيرو وليزر التغذية الراجعة الموزعة ، لا تُستخدم الأسطح العاكسة ولا الهياكل الدورية الموزعة في الليزر العشوائي، حيث يتم حصر الضوء في منطقة فعالة بواسطة عناصر مُشتِّتة قد تكون موزعة مكانيًا داخل الوسط المُضخِّم أو لا.

المبدأ الأساسي وراء الليزر العشوائي هو زيادة مسار الضوء باستخدام الوسائط غير المنتظمة؛ ويمكن القيام بذلك عن طريق الوسائط غير المنتظمة المنتشرة أو عن طريق استخدام التوطين القوي في الوسائط غير المنتظمة، مع خلفية نشطة لليزر.

تم الإبلاغ عن توليد الليزر العشوائي من مجموعة واسعة من المواد، مثل المحاليل الغروية للأصباغ وجزيئات التشتت، ^{[ 2 ]} ومساحيق أشباه الموصلات، ^{[ 3 ]} والأغشية الرقيقة متعددة البلورات لأشباه الموصلات ، ^{[ 4 ]} والألياف البصرية ، ^{[ 5 ]} والبوليمرات ، ^{[ 6 ]} والأنسجة البيولوجية. ^{[ 7 ]} ونظرًا لانبعاثها ذي التماسك المكاني المنخفض وكفاءة تحويل الطاقة الشبيهة بالليزر ، تُعدّ الليزرات العشوائية أجهزة جذابة لتطبيقات الإضاءة الموفرة للطاقة. ^{[ 8 ]} ويمكن أيضًا عكس مفهوم توليد الليزر العشوائي زمنيًا ، مما ينتج عنه ليزر مضاد عشوائي ، ^{[ 9 ]} وهو وسط غير منتظم قادر على امتصاص الإشعاع المتماسك الوارد بشكل كامل.

لقد خضع مبدأ عمل الليزر الحلقي لنقاش مستفيض، وتم الإبلاغ عن مناهج نظرية مختلفة (انظر المراجع في ^{[ 10 ]} ). وتتمثل العناصر الرئيسية لليزر الحلقي، كما هو الحال في الليزر التقليدي، في التضخيم والتغذية الراجعة، حيث يتم توفير التضخيم بواسطة وسط التضخيم المضخّم، والتغذية الراجعة بواسطة الجسيمات المشتتة.

تُعدّ التغذية الراجعة الموزعة البنية الأكثر شيوعًا، ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 5 ] [ 6 ]} حيث تُدمج جسيمات التشتت وتُوزع عشوائيًا في وسط التضخيم. وعلى النقيض من التغذية الراجعة الموزعة، في دوائر التغذية الراجعة الموضعية مكانيًا، يكون التضخيم والتغذية الراجعة منفصلين مكانيًا، حيث يُحصر وسط التضخيم بواسطة أوساط التشتت التي تعمل كعناصر تغذية راجعة وموصلات إخراج. ^{[ 11 ] [ 12 ]}

في كلا التصميمين، توجد الرنينات وأنماط الليزر عند وجود حلقات مغلقة ذات عدد صحيح من الأطوال الموجية. يُضيف جسيم مُشتِّت مساهمة طورية عشوائية (غير متوقعة) إلى الموجة الساقطة. تنتشر الموجة المُشتَّتة وتُشتَّت مرة أخرى، مُضيفةً المزيد من المساهمات الطورية العشوائية. إذا كان مجموع جميع المساهمات الطورية في حلقة مغلقة يُساوي مُضاعفًا صحيحًا لـ 2π عند تردد مُعين، يُسمح بوجود نمط ترددي عند ذلك التردد.

منذ التقارير الأولى، لوحظت بصمتان طيفيتان مختلفتان من RLs. الانبعاث غير الرنيني (يشار إليه أيضًا بالانبعاث غير المتماسك أو انبعاث السعة فقط ) يتميز بطيف ذي قمة واحدة بعرض نصف القيمة القصوى يبلغ بضعة نانومترات، والانبعاث الرنيني (يشار إليه أيضًا بالانبعاث المتماسك )، يتميز بقمم ضيقة متعددة بعرض خطوط دون النانومتر ، موزعة عشوائيًا في التردد.

يرجع التسمية السابقة إلى تفسير الظواهر، ^{[ 13 ]} حيث أن الرنين الحاد مع عرض الخطوط دون النانومتر الذي لوحظ في النظام الرنيني يشير إلى نوع من المساهمة من الطور البصري بينما يُفهم النظام غير الرنيني على أنه تضخيم للضوء المتناثر بدون علاقة طور ثابتة بين الفوتونات المضخمة.

بشكل عام، يُعزى نظاما التشغيل إلى خصائص التشتت للعنصر الانتشارى في RLs ذات التغذية الراجعة الموزعة: وسط تشتت ضعيف (عالي)، له مسار نقل حر متوسط ​​أكبر بكثير من (مقارنة بـ) طول موجة الانبعاث ينتج عنه انبعاث ليزر عشوائي غير رنيني ( رنيني ).

لقد ثبت مؤخرًا أن نظام التشغيل لا يعتمد فقط على المادة المستخدمة، بل أيضًا على حجم وشكل المضخة. ^{[ 12 ] [ 14 ]} يشير هذا إلى أن النظام غير الرنيني يتكون في الواقع من عدد كبير من الأنماط الضيقة المتداخلة مكانيًا وتردديًا، والمرتبطة ببعضها ارتباطًا وثيقًا، لتندمج في طيف ذي قمة واحدة بعرض نصف القيمة القصوى (FWHM) ضيق مقارنةً بمنحنى الكسب ، مع انبعاث تلقائي مُضخّم . أما في النظام الرنيني ، فيتم إثارة عدد أقل من الأنماط، ولا تتنافس فيما بينها على الكسب، ولا ترتبط ببعضها.

يُعدّ توطين أندرسون ظاهرة معروفة تحدث عندما تُحصر الإلكترونات في بنية معدنية غير منتظمة ، ويخضع هذا المعدن لانتقال طوري من موصل إلى عازل . ^{[ 15 ]} يُقال إن هذه الإلكترونات مُتمركزة بفعل توطين أندرسون. وتتمثل شروط هذا التوطين في وجود كثافة عالية كافية من المُشتِّتات في المعدن (إلكترونات أخرى، أو جسيمات مغزلية ، إلخ) تُجبر الإلكترونات الحرة على اتباع مسار حلقي واحد.

شجعت المقارنة بين الفوتونات والإلكترونات على تصور أن الفوتونات المنتشرة عبر وسط مشتت يمكن اعتبارها أيضًا موضعية وفقًا لتأثير أندرسون. وبناءً على ذلك، إذا تحقق معيار إيوف-ريجل ^{[ 16 ]} ، الذي يصف نسبة متجه موجة الفوتون k إلى متوسط ​​المسار الحر (للفوتون الذي لا يصطدم بأي شيء) l ، أي kl  <  1، فهناك احتمال أن تُحصر الفوتونات بنفس الطريقة التي تُحصر بها الإلكترونات تحت تأثير تأثير أندرسون. وبهذه الطريقة، بينما يكون الفوتون محصورًا، قد تعمل المشتتات كجوف بصري . وسيسمح وسط التضخيم الذي توجد فيه المشتتات بحدوث انبعاث محفز . وكما هو الحال في الليزر العادي، إذا كان التضخيم أكبر من الخسائر المتكبدة، فسيتم تجاوز عتبة الليزر ويمكن أن يحدث الليزر.

ستتداخل الفوتونات التي تسير في هذه الحلقة مع بعضها البعض.  ويضمن طول التجويف المحدد بدقة (1-10 ميكرومتر) أن يكون التداخل بناءً، مما يسمح لبعض الأنماط بالتذبذب. ويتيح التنافس على الكسب لأحد الأنماط التذبذب بمجرد بلوغ عتبة الليزر.

مع ذلك، تُظهر النظرية أنه في حالة التشتت المتعدد في الأوساط العشوائية المُضخِّمة، لا يحدث توطين أندرسون للضوء على الإطلاق، على الرغم من أن حساب التداخلات ضروري لإثبات هذه الحقيقة. في المقابل، يمكن إثبات ما يُسمى بعمليات التوطين الضعيف، ولكن ما إذا كانت هذه الآليات تلعب دورًا رئيسيًا في إحصائيات الأنماط أم لا، لا يزال هذا الأمر محل نقاش واسع. ^{[ 17 ]}

تُظهر الدراسات الحديثة أن عمليات التموضع الضعيفة هذه ليست الظاهرة المهيمنة على بدء الليزر العشوائي. يحدث الليزر العشوائي عندما تكون قيمة kl أكبر من 1. ويتفق هذا مع النتائج التجريبية. مع أن انتقال الضوء في "حلقات مغلقة" تمامًا يُفسر حدوث بقع الليزر المحصورة بشكل بديهي، إلا أن السؤال لا يزال مطروحًا حول ما إذا كانت عمليات الانبعاث المحفز، على سبيل المثال، مرتبطة بتلك العمليات.  

إلا أن نظرية "التجاويف المُشكّلة مسبقاً" لم يتم تأكيدها.

تعتمد الكميات النموذجية من وسط التضخيم المطلوبة لتجاوز عتبة الليزر بشكل كبير على كثافة المشتتات.

يُعدّ هذا المجال حديثًا نسبيًا، ولذا لا تزال تطبيقاته العملية محدودة. مع ذلك، تُعتبر الليزرات العشوائية القائمة على أكسيد الزنك (ZnO) مرشحة واعدة لتطبيقات الليزر فوق البنفسجي المُضخّم كهربائيًا، وأجهزة الاستشعار الحيوية، ومعالجة المعلومات البصرية. ويعود ذلك إلى انخفاض تكلفة إنتاجها، حيث لوحظ أن درجة الحرارة المثلى لإنتاج الركائز  تبلغ حوالي 500 درجة مئوية للمساحيق. وهذا يختلف عن إنتاج بلورة ليزر عادية عند درجات حرارة تتجاوز 700  درجة مئوية.

كما أشير إلى استخدام الليزر العشوائي لدراسة تأثير الليزر في المواد التي لا يمكن إنتاجها على شكل بلورات كبيرة متجانسة، كتطبيق محتمل. علاوة على ذلك، في نطاقات التردد التي لا تتوفر فيها مرايا عالية الانعكاسية (مثل أشعة غاما والأشعة السينية)، يمكن استخدام التغذية الراجعة التي يوفرها وسط تشتيت مناسب كبديل لتأثير الليزر. وقد استعرض نوغينوف العديد من هذه التطبيقات المقترحة قبل عام ٢٠٠٥. ^{[ 18 ]} في عام 2015، سلّط لوان وزملاؤه الضوء على بعض هذه التطبيقات، مع التركيز على تلك التي تمّ عرضها مؤخرًا، ^{[ 19 ]} بما في ذلك الباركود الضوئي، والبصريات الميكروفلويدية، والبطاريات الضوئية، وتشخيص السرطان، والتصوير الحيوي الخالي من التشويش، ومقياس الطيف العشوائي على الرقاقة، والمجهر/مطيافية التحليل الزمني، والاستشعار، وتحديد الصديق والعدو، وما إلى ذلك. علاوة على ذلك، يتميّز الليزر العشوائي بطبيعته بميزتين رئيسيتين، وهما شدة الليزر وانبعاثاته واسعة الزاوية، وهما سمتان لا تجتمعان في مصادر الضوء الحرارية، والثنائيات الباعثة للضوء (LEDs)، والليزر التقليدي. يُعتقد أن الليزر العشوائي مصدر إضاءة واعد ومتطور لإضاءة الليزر، ^{[ 20 ]} والتصوير الخالي من التشويش. ^{[ 21 ]}

• قائمة مقالات الليزر

• مجلة البصريات. عدد خاص: الليزر النانوي والعشوائي. فبراير 2010