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シャボン玉がレーザーに？　感度が良い圧力センサーとして機能　スロベニアの研究者らが検証

公開 2023年11月28日 08時02分

著者

山下裕毅

[ITmedia]

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このコーナーでは、2014年から先端テクノロジーの研究を論文単位で記事にしているWebメディア「Seamless」（シームレス）を主宰する山下裕毅氏が執筆。新規性の高い科学論文を山下氏がピックアップし、解説する。

Twitter: ＠shiropen2

　スロベニアのヨージェフ・ステファン研究所Humar Labに所属する研究者らが発表した論文「Smectic and soap bubble optofluidic lasers」は、せっけん泡（シャボン玉）を光学的な共振器として使用し、レーザー光を放出する技術を提案した研究報告である。

　せっけん水と蛍光染料を混ぜた泡に光を当てることで、非常に小さなレーザーを作ることができ、これらは極めて微小な圧力変化や電場の変化に対して敏感であることを示した。

レーザーによって照らされ、レーザー光を放出している浮遊するせっけん泡

　この研究では、ミリメートルサイズのせっけん泡をレーザー光で照らすことで、泡がレーザー光を放出する現象を示す。せっけん溶液に毛細管を浸して泡を作り、毛細管内の空気圧を上げて泡を膨らませる方法で、0.4mmから4mmのサイズの泡を作成できる。泡の膜の厚さは、せっけん泡の場合100～800ナノメートルの範囲である。

　泡がパルスレーザーで照らされると、内部で光が循環する現象が起こり、泡からレーザー光が発生する。泡を異なる位置で照らすことで、異なるレーザー光の放出パターンが観察できる。

　本来レーザーは光を増幅するための共振器として鏡を使うが、この泡レーザーは、光を反射し内部で循環させる泡自体が光の共振器の役割を果たす。

　せっけん泡には蛍光染料が添加されており、これが光を増幅させている。せっけん泡に光を照射すると、染料分子が光を吸収し、その後、光を放出する。この放出される光が泡の内部で反射し、増幅されることでレーザー光を生成する。

　せっけん泡がレーザー光を放出する原理は、ウィスパリングギャラリーモード（WGM）現象に基づいている。WGMは、泡の内側で光が周回し、特定の条件下で共鳴することにより、レーザー光が増幅される現象である。

（a）実験配置の概要図で、染料を添加したせっけん泡が水平に置かれた毛細管の端で膨らませられ、下からレーザーで照射、（b）反射光で観察されたせっけん泡には、干渉色を確認、（c）染料を添加した泡の蛍光画像を示す

（a）浮遊するせっけん泡の実験セットアップ、（b）レーザーで照らされ、レーザー光を放出している浮遊するせっけん泡

（a）白色光を当てた場合、干渉色を観察できる、（b）レーザーで照射された時の同じ泡において、矢印はレーザービームが来る方向を示す。レーザースポットを横切る明るいリングを形成、これは循環する光によるもの

レーザー光を発するせっけん泡、（a）中心部がレーザーで照らされせっけん鹸泡について、レーザービームがせっけん膜を通る部分では増幅領域を形成する、（b）別の泡では、光が循環し、明るいリングが形成。このリングは垂直平面の狭い範囲で光が最も効果的に増幅されるため、特に明るく見える

　せっけん泡の代わりにスメクティック液晶を用いた泡レーザーの実験を行った。これらの泡レーザーは、せっけん泡よりも安定性が高く、長寿命であることを示している。また、非常に高い感度を持ち、微小な圧力変化や電場の変化を検出できることが分かっている。これにより、圧力や電場のセンサーとしての利用が検討されている。

Source and Image Credits: Zala Korenjak and Matja? Humar. Smectic and soap bubble optofluidic lasers.

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2019年にスタートした本連載「Innovative Tech」は、世界中の幅広い分野から最先端の研究論文を独自視点で厳選、解説している。執筆は研究論文メディア「Seamless」（シームレス）を主宰し、日課として数多くの論文に目を通す山下氏が担当。イラストや漫画は、同メディア所属のアーティスト・おね氏が手掛けている。

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