Al suo livello più elementare, un laser casuale è esattamente ciò che suggerisce il nome; a caso. È casuale nello spettro della luce che produce e nel modo in cui la luce viene emessa, realizzando quella che potrebbe essere una sorgente laser estremamente versatile, quasi inutile per la maggior parte delle applicazioni pratiche.

Così, come controlli parte della casualità per creare dispositivi utili? È una domanda che ha portato un team di ricercatori dell'Università del New Mexico a una scoperta che sta portando la tecnologia laser a un livello superiore.

"È stato incredibile vedere come è progredito questo progetto, " ha detto Behnam Abaie, un dottorato di ricerca studente presso il Center for High Technology Materials (CHTM) dell'UNM. "Quando ho iniziato a lavorare con il Professor [Arash] Mafi, Sapevo che questo progetto aveva il potenziale per avere molto successo, ma non me lo sarei mai aspettato".

Abaie è il primo autore dell'articolo, "Laser casuale in una fibra ottica di localizzazione Anderson", recentemente pubblicato su Nature's Light:Science &Applications. L'articolo fornisce un'analisi tecnica di come il gruppo di ricerca, guidato dal direttore ad interim di CHTM Arash Mafi, è in grado di controllare in modo affidabile questi estremamente potenti, ma prima incontrollabile, laser.

"Il nostro successo nel controllare questi laser casuali risolve problemi decennali che hanno impedito a questi laser di diventare dispositivi tradizionali, " ha detto Mafi, che è anche professore associato presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia dell'UNM. "È un contributo molto eccitante".

I laser tradizionali sono costituiti da tre componenti principali:una fonte di energia, guadagno medio e cavità ottica. La fonte di energia viene fornita attraverso un processo chiamato "pompaggio" e può essere fornita attraverso una corrente elettrica o un'altra fonte di luce. Quell'energia passa quindi attraverso il mezzo di guadagno che contiene proprietà che amplificano la luce. La cavità ottica - una coppia di specchi su entrambi i lati del mezzo di guadagno - fa rimbalzare la luce avanti e indietro attraverso il mezzo, amplificandolo ogni volta. Il risultato è un diretto, intenso raggio di luce chiamato laser.

laser casuali, a confronto, eseguire utilizzando una pompa, un mezzo di guadagno altamente disordinato ma nessuna cavità ottica. Sono estremamente utili per la loro semplicità e ampie caratteristiche spettrali, il che significa che un singolo laser casuale può produrre un raggio di luce contenente più spettri, una proprietà molto vantaggiosa per alcune applicazioni come l'imaging biomedico. Però, data la loro natura, i laser casuali sono difficili da controllare in modo affidabile a causa della loro uscita multidirezionale e delle fluttuazioni caotiche.

Il team UNM, in collaborazione con ricercatori della Clemson University e della University of California San Diego, è stato in grado di superare questi ostacoli in modo efficiente:una vittoria che sperano continuerà a spingere in avanti l'uso di laser casuali.

"Il nostro dispositivo ha tutte le grandi qualità di un laser casuale, più stabilità spettrale ed è altamente direzionale, " ha detto Mafi. "È uno sviluppo meraviglioso."

I ricercatori sono in grado di ottenere questi risultati attraverso la fabbricazione e l'uso di un'esclusiva fibra ottica di localizzazione Anderson in vetro. La fibra è costituita da un 'quarzo satinato', un vetro artigianale estremamente poroso che viene tipicamente utilizzato solo per calibrare il macchinario che trae le fibre ottiche. Quando tirato in lunghe aste, il materiale poroso forma dozzine di canali d'aria microscopici in ciascuna fibra.

"Il vetro che usiamo per queste fibre ottiche è in realtà materiale che normalmente getteremmo via perché è molto poroso, " disse Abaie. "Ma, sono quei fori nel vetro che stanno effettivamente creando i canali che controllano il laser."

Una volta riempito con un mezzo di guadagno e pompato utilizzando un laser verde monocolore, il laser casuale diventa meno casuale e altamente controllabile, grazie a un fenomeno noto come localizzazione di Anderson.

"C'è ancora molto da imparare sulla localizzazione di Anderson, ma è emozionante per noi far parte di questo sviluppo, " ha detto Mafi. "Per essere in grado di realizzare effettivamente dispositivi che utilizzano questo fenomeno, sta portando la scienza a un altro livello".

Mafi e il suo team di ricerca sono tra i maggiori esperti di localizzazione di Anderson. Nel 2014, hanno pubblicato un articolo su un diverso dispositivo in grado di trasmettere immagini utilizzando il fenomeno. Quella ricerca è stata nominata una delle dieci migliori scoperte dell'anno di Physics World.

Andando avanti, Mafi dice che sperano di ampliare lo spettro di questo nuovo dispositivo e renderlo più efficiente, creando una fonte di illuminazione ad ampio spettro che può essere utilizzata in tutto il mondo.