پژوهشگران با استفاده از حباب صابون لیزری ساخته اند که می تواند به عنوان یک حسگر دقیق برای پارامترهای محیطی از جمله فشار جو عمل کند.

حلقه ای از تابش لیزری که روی یک حباب صابون (تصویر سمت چپ) و روی یک حباب کریستال مایع (تصویر سمت راست) ظاهر می شود. ویدئوی پایین صفحه را تماشا کنید.

حباب های صابون به خاطر جلب کردن توجه کودکان نوپا معروف هستند، و اکنون پژوهشگران نشان داده اند که این اجسام کاربرد خیره کننده دیگری دارند- تولید کردن نور لیزر با رنگ قابل تنظیم .[1] آنها نشان دادند که یک رنگ حل شده در محلول صابونیِ چنین حبابی قادر است نور به گردش درآمده در پوسته کروی را تقویت کرده و نور لیزر تولید کند. این نور همچون یک حلقه درخشان پیرامون حباب، قابل رویت است. چنین "لیزرهای حبابی" می توانند به عنوان حسگرهای دقیق برای اندازه گیری فشار جو یا برای آشکارسازی تغییرات در یک میدان الکتریکی عمل کنند.

جذابیت حباب ها تا حد زیادی از برهم کنش آنها با نور ناشی می شود. هنگامی که حباب های صابون در هوا به رقص در می آیند، مانند اجسام زرق و برق دار میدرخشند و وقتیکه حرکت می کنند، تغییر رنگ می دهند. این پدیده معروف به رنگین کمانی (iridescence)، از تداخل امواج نور درون یک پوسته صابونی حباب ناشی می شود.

پژوهشگران همچنین نشان داده اند که نور لیزر می تواند در یک پوسته حباب انتشار یابد که به ساختارهای رشته ای که همانند صاعقه هستند، منشعب میشود[2] . نور در هریک از هزاران رشته درخشانی که می تواند گسترش یابد، متمرکز باقی می ماند. این مشاهدات، ماتجاز هومر Matjaz Humar و زالا کورنجاک Zala Korenjak را از موسسه ژوزف استفان و دانشگاه لیوبلیانا، هر دو در اسلوونی، به این سمت برد تا بپرسند که آیا یک حباب می تواند به منظور ایجاد نور لیزر مورد استفاده قرار گیرد؟. انواع دیگر پوسته های کروی به عنوان کاواک های لیزر مورد استفاده قرار گرفته اند. هومر می گوید: "من نمی دانستم که آیا حباب ممکن است به این شکل کار کند یا نه".

ویدئو- یک حباب صابون با استفاده از لوله مویین باد می شود و سپس نور LED خاموش می شود. در مرحله بعد، یک لیزر پمپ روشن می شود و تابش لیزر از حباب به صورت حلقه ای روشن روی سطح حباب ظاهر میشود.

برای محک زدن این ایده، هومر و کورنجاک دستگاهی را با استفاده از یک محلول حباب صابون استاندارد ترکیب شده با یک رنگ فلوئورسنت ساختند. حباب در انتهای یک لوله مویین نگه داشته شد و با یک لیزر پالسی به آن تابیده شد. پژوهشگران سپس طیف نور گسیل شده از حباب را در حالیکه شدت لیزر پالسی را افزایش می دادند، رصد کردند.

در شدت های پایین، هر دو فقط فلوئورسنس را مشاهده کردند، نوری که به عنوان تابش در یک محدوده وسیع از طول موج ها ظاهر شد. با افزایش شدت لیزر پالسی، هومر و کورنجاک یک حلقه نور درخشان روی حباب مشاهده کردند. بعد از یک شدت آستانه، آنها همچنین پیک های تیزی را در طیف گسیل حباب شناسایی کردند که مربوط به شروع تابش لیزری بودند.

لیزرها سه جزء اصلی دارند: یک منبع انرژی، یک تشدیدگر اپتیکی و یک به اصطلاح محیطِ بهره -ماده ای که نور موجود در تشدیدگر را تقویت می کند. هومر می گوید که لیزر پالسی به عنوان منبع انرژی، پوسته حباب به عنوان تشدیدگر و رنگ به عنوان محیط بهره عمل کردند.

هومر یادآور می شود که هرچند این آزمایشها نشان دادند که این ایده کار میکند اما لیزرهای حباب صابون کاربردی نیستند. او می گوید:"آب دائما از حبابها تبخیر می شود که شکل و اندازه آنها و طیف نوری که آنها گسیل می کنند را تغییر میدهد". برای یک لیزر پایدارتر، او و کورنجاک به حباب های کریستال مایع اِسمِتیک (smectic) پرداختند که هومر می گوید اصولا می توانند "بدون هیچ تغییری برای مدت نامحدود دوام بیاورند".

پژوهشگران نشان دادند که آنها می توانند طول موج نور گسیل یافته از یک لیزر حباب-اسمتیک را با اضافه کردن هوا به حباب یا از طریق تغییر دادن پارامترهای خارجی از قبیل یک میدان الکتریکی یا فشار هوای محیط تنظیم کنند. همه این عوامل بر شعاع حباب تاثیر گذاشتند که طول موج نور لیزر گسیل یافته را تعیین می کرد. اندازه گیری های اولیه نشان دادند که میدان های الکتریکی به کوچکی 0.35 ولت بر میلی متر و تغییرات فشار به اندازه 0.024 پاسکال میتوانند آشکار شوند، یعنی همتراز یا بهتر از بعضی حسگرهای موجود. برای تغییرات فشار، حبابها به طور خاص طیف گسترده ای از حساسیت را دارند.

ترزا لوپز-لئون Teresa Lopez-Leon پژوهشگر کریستال مایع از ESPCI ParisTech می گوید: "اندازه حبابها و بنابراین طیف گسیل آنها می تواند به طور پویا با بزرگ و کوچک شدن حباب تغییر کند که قابلیت تنظیم بی نظیری را ارائه می دهد". لوپز-لئون متذکر می شود که تابش لیزری قبلا با استفاده از قطره های کریستال مایع اسمتیک به دست آمده، نه با حباب ها که پوسته های بسیار نازکشان به آنها ویژگی های مکانیکی و اپتیکی منحصر به فردی می دهد. لوپز-لئون همچنین توجه دیگران را به سادگی روشی که هومر و کورنجاک توانسته اند با آن لیزرهای حباب اسمتیک بسازند جلب می کند. او می گوید: " حباب ها اجسام شگفت انگیزی هستند".

1. Z. Korenjak and M. Humar, “Smectic and soap bubble optofluidic lasers,” Phys. Rev. X 14, 011002 (2024).

2. A. Patsyk et al., “Observation of branched flow of light,” Nature 583, 60 (2020).

منبع:

A Soap Bubble Becomes a Laser