肥皂是家庭中不可或缺的日常用品。然而，这个表面上看似与物理和光学毫不相关的物品，却在科学家们的手中展现出了意想不到的新用途。
“许多微谐振腔可用作激光腔，包括固体球壳” 来自斯洛文尼亚约瑟夫·斯特凡研究所和卢布尔雅那大学的Matjaž Humar表示，“然而，直到现在，肥皂泡还没有被研究为光学腔。” 为了研究出气泡激光器，研究人员利用掺有荧光染料的肥皂溶液制造气泡，首次将几毫米直径的肥皂泡转化为微小的激光器，相关研究成果发表在Physical Review X期刊上。文章作者Matjaž和 Zala表示：“气泡发出的光波长对其大小高度敏感，为气泡激光传感器铺平了道路，可以用来检测压力或环境电场的微小变化。”
图1 在毛细管末端的肥皂泡激光
肥皂气泡产激光，制备简单性能好
激光器的获得需要3个必不可少的条件：增益介质、泵浦源和光学谐振腔。增益介质的作用是放大光信号，实现一种特殊的光放大过程，其中每个入射光子导致增益介质发射出多个光子。通过将增益介质置于一个光学谐振腔内，可以使发射的光子在谐振腔内往返，从而产生放大的相干光束。利用这个原理，研究人员将肥皂溶液与荧光染料混合，荧光染料充当增益介质;气泡在毛细管的末端形成，用脉冲激光照射它们，使增益介质泵浦;增益介质产生的光沿着气泡表面(充当谐振腔)循环。
肥皂气泡的制作非常简单，将毛细管浸入含有荧光染料的肥皂溶液中，并缓慢增加毛细管中的气压使气泡膨胀。肥皂泡可以通过膨胀或收缩达到所需的尺寸(0.4-4 mm)，皂膜的厚度通常在100-800 nm范围内，并具有相对均匀的荧光强度。当气泡被脉冲激光照射时，由于回音壁模式(Whispering-gallery mode, WGM)的循环，气泡发射激光。当气泡的中心被泵浦时，除了与毛细管相交的平面外，所有垂直平面都产生激光，此时能观察到一个明亮的边缘。当气泡在边缘被照亮时，产生的光优先在一个平面内循环，产生明亮的窄环。为了使气泡激光器更具有实用性，研究人员还利用近晶液晶制造气泡。这样产生的气泡不含水，表面完全均匀且非常薄，其厚度(30-120 nm)可以通过膨胀速度来近似控制。这些近晶气泡几乎可以无限期存在，具有稳定性。
图2 激光沿着肥皂泡的表面传播
研究人员证明，较厚的气泡允许谐振器中存在许多模式，从而在波长光谱中产生许多可能重叠的峰值。然而，较薄的气泡(<200 nm)只允许谐振器中的一种模式。这种单模操作表现为激光光谱中均匀分布的峰。气泡激光发射的波长可以通过改变其环境来调整。具体来说，改变环境压力或电场会改变气泡的大小，从而改变谐振腔的大小，进而改变激光发射的波长。测量结果表明，气泡激光器对小至0.35 V/mm的电场和0.024 Pa的压力变化非常敏感。
图3 气泡激光发射规则间隔波长的光
气泡激光创新结构，未来无限可能
与传统的固体或液滴微腔相比，气泡微腔由非常薄的流体膜制成，呈现出独特的光学和机械特性。这些气泡激光器不仅尺寸可轻松在真实时间内扩展至原尺寸的10倍甚至更多倍，而且制造过程简单，只需一根多模光纤和一个简单的透镜即可实现。因此，气泡激光器可以用作具有频率梳状发射的可调谐激光源，比传统的固体微激光器具有更大数量级的可调谐性。
除了在电场和压力传感方面具有非常高的灵敏度、分辨率和动态范围外，这些气泡激光器未来还可用于测量其他改变气泡形状的量，如空气流或磁场。为了增强气泡的稳定性，可以通过冷却它们使其结晶，或使用可聚合液晶或液晶弹性体使其成为固体。此外，这些气泡激光器未来还可用于研究薄膜和基本现象，例如腔光力学。
