ランダムレーザー

ランダムレーザー（RL）は、散乱粒子によって光フィードバックが提供されるレーザーです。 ^[1]従来のレーザーと同様に、光増幅にはゲイン媒体が必要です。ただし、ファブリペロー共振器や分布帰還型レーザーとは異なり、RLでは反射面も分布周期構造も使用されません。これは、ゲイン媒体内に空間的に分布している場合もそうでない場合もある拡散要素によって光がアクティブ領域に閉じ込められるためです。

ランダム レーザーの主な原理は、無秩序な媒体で光路を増やすことです。これは、拡散無秩序な媒体を使用するか、レーザー アクティブ バックグラウンドを使用して無秩序な媒体内での強力な局在化を使用することによって実行できます。

ランダムレーザー発振は、染料と散乱粒子のコロイド溶液、^[2]半導体粉末、^[3]半導体多結晶薄膜、^[4]光ファイバー^[5]およびポリマー^[6]など、さまざまな材料から報告されています。空間コヒーレンスが低い出力放射とレーザーのようなエネルギー変換効率のため、RL はエネルギー効率の高い照明アプリケーションにとって魅力的なデバイスです。^[7]ランダムレーザー発振の概念は時間反転することもでき、ランダム反レーザー^{[8]をもたらします。これは、}入ってくるコヒーレント放射を完全に吸収できる無秩序な媒体です。

RLの動作原理については広く議論されており、さまざまな理論的アプローチが報告されている（^[9]の参考文献を参照）。従来のレーザーと同様に、RLの主な要素は増幅とフィードバックであり、増幅は励起された利得媒体によって行われ、フィードバックは散乱粒子によって行われる。

分散フィードバックは最も一般的に使用されるアーキテクチャであり、^{[1] [2] [3] [5] [6]}、散乱粒子が埋め込まれ、ゲイン媒体にランダムに分散されます。分散フィードバックとは対照的に、空間的に局所化されたフィードバックRLでは、ゲインとフィードバックは空間的に分離され、ゲイン媒体は散乱媒体によって閉じ込められ、フィードバック要素と出力カップラーとして機能します。^{[10] [11]}

どちらのアーキテクチャでも、整数個の波長を持つ閉ループが発生すると、共鳴とレーザー発振モードが存在します。散乱粒子は、入射波にランダムな (予測不可能な) 位相寄与を追加します。散乱波は伝播して再び散乱され、さらにランダムな位相寄与を追加します。閉ループ内のすべての位相寄与が特定の周波数で 2π の整数倍になる場合、その周波数で周波数モードが存在できます。

最初の報告以来、RL からは 2 つの異なるスペクトル特性が観測されています。非共鳴放射 (非コヒーレント放射または振幅のみの放射とも呼ばれる) は、 FWHMが数ナノメートルの単一のピーク スペクトルを特徴とし、共鳴放射 (コヒーレント放射とも呼ばれる) は、周波数がランダムに分布し、 サブナノメートルの線幅を持つ複数の狭いピークを特徴とします。

以前の命名法は現象の解釈によるものであり、^[12]共鳴領域で観測されるサブナノメートルの線幅を持つ鋭い共鳴は、光位相からの何らかの寄与を示唆しているのに対し、非共鳴領域は、増幅された光子間の固定された位相関係のない散乱光の増幅として理解されている。

一般に、2 つの動作モードは、分布フィードバック RL 内の拡散要素の散乱特性に起因します。つまり、輸送平均自由行程が放射波長よりはるかに大きい (同等である)弱い (高い) 散乱媒体は、非共鳴(共鳴) ランダム レーザー放射を生成します。

最近、動作モードは使用材料だけでなく、ポンプのサイズと形状にも依存することが実証されました。^{[11] [13]}これは、非共鳴モードが実際には空間と周波数で重なり合って強く結合した多数の狭いモードで構成され、ゲイン曲線と増幅された自然放出と比較して狭いFWHMを持つ単一のピークスペクトルに崩壊することを示唆しています。共鳴モードでは、励起されるモードが少なく、ゲインをめぐって互いに競合せず、結合しません。

アンダーソン局在は、電子が無秩序な金属構造に閉じ込められ、この金属が導体から絶縁体への相転移を経るときに発生するよく知られた現象です。^{[14]これらの電子はアンダーソン局在していると言われています。この局在の条件は、金属内に散乱体（他の電子、}スピンなど）の密度が十分に高く、自由電子が単一のループ経路をたどることです。

光子と電子の類似性から、散乱媒体を通って拡散する光子もアンダーソン局在していると考えられるようになりました。これによると、光子波数ベクトルkと平均自由行程（光子が何にも衝突していない場合）lの比を表す Ioffe-Regel ^[15]基準が満たされる場合（kl  < 1）、アンダーソン局在下で電子が捕捉されるのとほぼ同じように光子が捕捉される可能性があります。このように、光子が捕捉されている間、散乱体は光キャビティとして機能する可能性があります。散乱体が存在するゲイン媒体により、誘導放出が発生します。通常のレーザーと同様に、ゲインが発生した損失よりも大きい場合、レーザーしきい値が破られ、レーザー発振が発生する可能性があります。

このループを移動する光子も互いに干渉します。明確に定義されたキャビティ長 (1～10 μm) により、干渉が建設的になり、特定のモードが発振できるようになります。ゲインの競合により、レーザー発振しきい値に達すると、1 つのモードが発振します。

しかし、理論によれば、増幅ランダム媒体における多重散乱では、光のアンダーソン局在はまったく発生しないが、その事実を証明するには干渉の計算が不可欠である。逆に、いわゆる弱局在化プロセスは証明できるが、それらのメカニズムがモード統計において重要な役割を果たすかどうかは活発に議論されている。^[要出典]

最近の研究^{[引用が必要]}では、これらの弱い局在化プロセスはランダムなレーザー発振の開始を支配する現象ではないことが示されています。ランダムなレーザー発振はkl  > 1で発生します。 ^{[引用が必要]}これは実験結果と一致しています。^{[引用が必要]}光が正確に「閉じたループ」上を移動することで、閉じ込められたレーザー発振スポットの発生を直感的に説明できますが、たとえば誘導放出プロセスがそれらのプロセスと相関しているかどうかという疑問はまだ残っています。^{[引用が必要]}

しかし、「予め形成された空洞」の理論は確認されていません。

レーザー閾値を超えるために必要なゲイン媒体の典型的な量は、散乱体の密度に大きく依存します。

この分野はまだ比較的新しいため、実現されたアプリケーションは多くありません。しかし、ZnOベースのランダム レーザーは、電気ポンプ式 UV レーザー、バイオセンサー、光情報処理の有望な候補です。これは、製造コストが低いことと、基板製造の最適温度が粉末の場合 500 °C 程度であることが観察されているためです。これは、通常のレーザー結晶が 700 °C を超える温度で製造されるのとは対照的です。

均質な大きな結晶の形で生成できない物質におけるレーザー作用の研究にランダム レーザーを使用することも、潜在的な応用として指摘されています。さらに、高反射率ミラーが利用できない周波数範囲 (ガンマ線、X 線など) では、適切な散乱媒体によって提供されるフィードバックをレーザー作用の代替として使用できます。2005 年以前に提案されたこれらのアプリケーションの多くは、すでに Noginov によってレビューされています。^[16] 2015年に、ルアンと同僚らは、最近実証されたものに重点を置き、^[17]フォトニックバーコード、オプトマイクロフルイディクス、光電池、癌診断、スペックルフリーバイオイメージング、オンチップランダム分光計、時間分解顕微鏡/分光法、センシング、敵味方識別など、そのいくつかを紹介した。さらに、ランダムレーザーは、レーザーレベルの強度と広角放射という2つの重要な優位性を自然に備えており、これらは熱光源、発光ダイオード（LED）、および一般的なレーザーでは互いに排他的である。ランダムレーザーは、レーザー照明、^[18]およびスペックルフリーイメージングのための有望で先進的な光源であると考えられている。^[19]

• レーザー記事一覧

• 光学ジャーナル。特集：ナノおよびランダムレーザー。2010年2月[1]