慕尼黑工業(yè)大學(xué)（TUM）Cordt Zollfrank教授領(lǐng)導(dǎo)的團隊與羅馬大學(xué)的物理學(xué)家一起合作，在施特勞賓科學(xué)中心基于纖維素紙制造了第一個可控的隨機激光器。基于此，該團隊展示了自然產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)是如何可以適用于技術(shù)應(yīng)用的。因此，不再需要將材料人工制備成無序結(jié)構(gòu)，而是利用天然材料來替代。
仿生材料合成是慕尼黑工業(yè)大學(xué)施特勞賓科學(xué)中心生物源聚合物委員會的研究領(lǐng)域之一。它利用自然和生物材料的模板來開發(fā)新的材料和技術(shù)。最新一期的《先進光學(xué)材料》出版物中介紹了一項由施特勞賓科學(xué)中心和羅馬大學(xué)的聯(lián)合團隊完成的基礎(chǔ)研究，據(jù)科學(xué)家Daniel Van Opdenbosch博士介紹，他們成功地“將一種生物結(jié)構(gòu)用作了技術(shù)性隨機激光器的模板”。
該團隊使用傳統(tǒng)的實驗室濾紙作為一個結(jié)構(gòu)模板，因為其具有長纖維和穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。
有兩個組件是激光器必不可少的：首先，需要有進行光放大的增益介質(zhì)。其次，需要有一個將光保持在介質(zhì)中的結(jié)構(gòu)。經(jīng)典的激光器使用鏡子來引導(dǎo)光并使光在一個單一的方向上以一種定向和均勻的方式傳播。這也均勻地發(fā)生在一個隨機激光器的顯微結(jié)構(gòu)里，但是是在不同的方向上。雖然隨機激光器的發(fā)展仍處于起步階段，但在未來，它可能會帶來更低成本的生產(chǎn)。這是因為隨機激光器具有一些優(yōu)點，例如它們具有方向獨立性并具有多種顏色，這里只列出了幾個好處。
無序結(jié)構(gòu)會偏折各個方向的光
“隨機激光器的前提是具有一個確定的內(nèi)部結(jié)構(gòu)混亂度，”Van Opdenbosch解釋說。因此，隨機激光器內(nèi)的光會沿著所有的角度和隨機路徑進行散射，這是由介質(zhì)內(nèi)部一個不規(guī)則的結(jié)構(gòu)決定的。這個由施特勞賓科學(xué)中心生物源聚合物委員會的Zollfrank教授領(lǐng)導(dǎo)的團隊使用常規(guī)的實驗室濾紙作為結(jié)構(gòu)模板。“由于其長纖維和由此產(chǎn)生的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，我們認(rèn)為其非常適合這一目的，”Van Opdenbosch說。
在實驗室中，這些濾紙被用一種有機金屬化合物正鈦酸四乙酯進行了浸透。當(dāng)它被干燥并將纖維素在500攝氏度下燒掉以后，它留下了陶瓷鈦白粉作為殘渣——與通常用在防曬霜里面防止曬傷的物質(zhì)是一樣的。“防曬霜中的這種效應(yīng)是基于二氧化鈦強烈的光散射效應(yīng)，”Van Opdenbosch說，“我們也將這種效應(yīng)應(yīng)用在了我們的隨機激光器上。”“我們的激光器”之所以是“隨機的”是因為由于實驗室濾紙的生物結(jié)構(gòu)而在不同的方向上散射的光也可以在相反的方向上進行散射，”他補充解釋了其原理。
隨機激光畢竟不是完全隨機的
盡管具有隨機的本質(zhì)，但是該光波還是可以被控制的，就像由羅馬大學(xué)復(fù)雜系統(tǒng)研究所的Claudio Conti為首的團隊發(fā)現(xiàn)的那樣，Daniel Van Opdenbosch和Cordt Zollfrank就是與他們一起合作。在光譜儀的幫助下，他們能夠區(qū)分出在材料中產(chǎn)生的不同的激光波長，并逐個將它們分別定位出來。
Van Opdenbosch描述了這個過程：“用來繪制樣品地圖的測試裝置由一個能量可以調(diào)節(jié)的綠色激光器，顯微鏡鏡頭，以及一個可以使樣品移動的移動臺組成。這樣，我們的同事就能夠確定出在不同的能量水平和材料的不同區(qū)域所輻射出的不同的激光波。”在這個分析的光里面，以任何數(shù)目的路徑來配置激光器并確定其輻射的方向和強度是可能的。
這些知識使得一些潛在的實際應(yīng)用變得現(xiàn)實起來。“例如，這種材料可以被用做微開關(guān)或探測結(jié)構(gòu)變化的探測器，”Van Opdenbosch說。
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