首個基于紙基陶瓷的可控隨機激光器

　　慕尼黑工業(yè)大學(TUM)Cordt Zollfrank教授領導的團隊與羅馬大學的物理學家一起合作，在施特勞賓科學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)大學施特勞賓科學中心生物源聚合物委員會的研究領域之一。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《先進光學材料》出版物中介紹了一項由施特勞賓科學中心和羅馬大學的聯(lián)合團隊完成的基礎研究，據(jù)科學家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中心生物源聚合物委員會的Zollfrank教授領導的團隊使用常規(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是基于二氧化鈦強烈的光散射效應，”Van Opdenbosch說，“我們也將這種效應應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，就像由羅馬大學復雜系統(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用變得現(xiàn)實起來。“例如，這種材料可以被用做微開關或探測結(jié)構(gòu)變化的探測器，”Van Opdenbosch說。