Une nouvelle étude sur le laser à ciel ouvert à l’azote et à l’argon pourrait changer la communauté laser

Une équipe de chercheurs de l'Université de Californie à Los Angeles (UCLA) et du Max Born Institute ont publié une étude démontrant l'utilisation de l'azote et de l'argon pour créer de la lumière laser.

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.

Une équipe de chercheurs de l'Université de Californie à Los Angeles (UCLA) et du Max Born Institute ont publié une étude démontrant l'utilisation de l'azote et de l'argon pour créer de la lumière laser. L’étude s’appuie sur des décennies de recherche dans le domaine de la création de lasers à ciel ouvert, qui pourraient un jour contribuer à améliorer les capteurs, la robotique et bien plus encore.

Here's what you need to know.

Voici ce que vous devez savoir.

Laser Tech

Technologie Laser

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.

Pendant des décennies, le principal moyen de fonctionnement des lasers consistait à projeter un faisceau de lumière à travers une cavité optique sur une paire de miroirs. Ces miroirs sont construits et inclinés de manière à permettre à la lumière de rebondir entre les appareils. Cette action rebondissante amplifie l'intensité de cette lumière, créant le faisceau focalisé que vous voyez.

Open-Air Lasers

Lasers à ciel ouvert

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.

Depuis le début de la recherche sur le laser, des ingénieurs ont cherché à créer de la lumière laser sans utiliser de cavités d'amplification ni de miroirs. Dans le cadre de cette recherche, une sous-section d’ingénieurs cherche à créer des lasers à ciel ouvert. Ces dispositifs utilisent les interactions entre particules excitées par une lumière intense pour former une lumière laser. Jusqu'à récemment, ce concept scientifique n'était pas possible. Cependant, il semble que les vents aient changé suite à la publication de cette récente étude.

Nitrogen Argon Open-Air Laser Study

Étude sur le laser à ciel ouvert à l'azote et à l'argon

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.

L’étude se penche sur l’utilisation de mélanges d’azote et d’argon pour induire une émission laser sans cavité dans l’air atmosphérique. L'étude, publiée dans Physical Review Letters, présente le concept et un modèle de travail qui ont permis un transfert d'énergie médié par les photons entre N2 et Ar, entraînant une réponse de superfluorescence.

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.

Les recherches de l'équipe portent sur de nombreux concepts différents, car l'air ambiant comporte différents composants susceptibles de produire une réponse superfluorescente. Pour vérifier que l'argon et l'azote étaient les composants actifs de la réponse, l'équipe devait surveiller le couplage des deux dans un environnement stable en oxygène. Les tests ont révélé des résultats intéressants, notamment des effets laser bidirectionnels, qui ont ouvert la porte à diverses nouvelles expériences scientifiques.

Open-Air Lasers – Testing

Lasers à ciel ouvert – Tests

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.

Les tests ont commencé avec des ingénieurs utilisant un laser à pompe de 261 nm pour exciter les gaz. L’objectif était de mieux comprendre pourquoi le mélange d’argon subit une réduction du taux d’ionisation. Ce test a conduit les ingénieurs à se concentrer sur l’absorption résonante à 3 photons de photons de 261 nm dans Ar. Ici, ils ont découvert une corrélation directe avec l’effet laser bidirectionnel.

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.

Cet effet laser en cascade bidirectionnel a été testé à l'aide de divers paramètres pour garantir que les détails de la conversion étaient enregistrés. Le test a révélé que le mélange d’azote et d’argon créait la réponse souhaitée, alors que d’autres mélanges ne produisaient aucune impulsion lumineuse laser bidirectionnelle. Un zoom avant a révélé que l'absorption à 3 photons de photons de 261 nm par des atomes d'Ar crée spécifiquement une émission de superfluorescence en cascade. Cette révélation était une découverte majeure car on ignorait auparavant qu'un mécanisme médié par les photons qui transfère l'énergie du N2 à l'Ar était une possibilité.

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.

Les étapes suivantes ont commencé par les tests de fréquence. Les chercheurs ont parcouru différentes fréquences jusqu'à ce qu'ils remarquent que les molécules d'azote présentent une absorption non linéaire de 3 photons dans un état excité électroniquement lorsqu'elles sont exposées à 261 nm à de l'argon résonant à une fréquence légèrement différente. Ces données ont ensuite été collectées pour être utilisées pour créer de nouvelles formules permettant de modéliser de futures expériences.

Results

Résultats

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.

L’étude montre des résultats prometteurs qui pourraient bouleverser la communauté laser. D’une part, l’équipe a réussi à produire des effets durables en cascade bidirectionnels dans l’air atmosphérique. Plus précisément, les ingénieurs ont pu créer deux lasers bidirectionnels colorés via une configuration à ciel ouvert et sans cavité.

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.

La recherche met également en lumière certaines découvertes inattendues. D’une part, l’équipe a remarqué que la quantité d’oxygène utilisée lors du mélange affectait l’interaction entre les molécules d’argon et d’azote. Leurs recherches montrent qu'un mélange à 1 % d'O2 est idéal pour une émission sans cavité, bidirectionnelle et de type laser.

Open-Air Laser Benefits

Avantages du laser en plein air

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.

Cette technologie apporte plusieurs avantages au marché. D’une part, cela permet la création de lasers avec moins de pièces mécaniques. Les lasers à ciel ouvert nécessiteront moins de techniques et de fabrication pour être produits. Ces coûts réduits se traduiront par davantage d’applications de cas d’utilisation.

Stability

Stabilité

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.

L'utilisation de miroirs dans les lasers actuels constitue l'une de leurs plus grandes faiblesses. Ces minuscules appareils doivent être parfaitement calibrés et alignés pour créer le faisceau de lumière que vous attendez. Tout petit écart par rapport à l'étalonnage d'origine de l'appareil peut rendre l'appareil inutilisable. Alors que l’utilisation des lasers continue de s’étendre à de grandes applications commerciales et militaires, il existe une forte demande pour des lasers comportant moins de composants mobiles. Les lasers azote-argon sont une solution intelligente.

Light Weight

Poids léger

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.

L’utilisation d’argon et d’azote légers contribuera à réduire le poids global des lasers à l’avenir. Les lasers sont déjà utilisés sur de nombreux appareils microscopiques. Cependant, leur échelle d'exploitation est limitée en raison de la capacité du fabricant à réduire les composants de base. Un système basé sur Argon nécessiterait beaucoup moins d’espace et pèserait moins. En tant que tels, ils pourraient contribuer à alimenter les voyages spatiaux de nouvelle génération, les nanotechnologies et bien plus encore.

Potential use Applications

Applications potentielles

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

Il existe de nombreuses applications pour ce nouveau style de lumière laser. Du suivi et