På sin mest grundläggande nivå, en slumpmässig laser är precis vad dess namn antyder; slumpmässig. Det är slumpmässigt i spektrumet av ljus det producerar och i sättet som ljuset sänds ut, gör vad som kan vara en extremt mångsidig laserkälla, nästan värdelös för de flesta praktiska tillämpningar.

Så, hur kontrollerar du en del av slumpen för att göra användbara enheter? Det är en fråga som har lett ett team av forskare vid University of New Mexico till en upptäckt som tar lasertekniken till nästa nivå.

"Det har varit otroligt att se hur det här projektet har fortskridit, sa Behnam Abaie, en Ph.D. student vid UNM:s Center for High Technology Materials (CHTM). "När jag först kom att arbeta med professor [Arash] Mafi, Jag visste att det här projektet hade potential att bli mycket framgångsrikt men jag förväntade mig aldrig detta."

Abaie är den första författaren på tidningen, "Slumpmässig laserning i en Anderson lokaliserande optisk fiber", nyligen publicerad i Nature's Light:Science &Applications. Artikeln ger en teknisk analys av hur forskargruppen, ledd av CHTM:s interimsdirektör Arash Mafi, kan på ett tillförlitligt sätt kontrollera dessa extremt kraftfulla, men tidigare okontrollerbar, lasrar.

"Vår framgång med att kunna kontrollera dessa slumpmässiga lasrar tar upp decennium gamla problem som har hindrat dessa lasrar från att bli vanliga enheter, sa maffian, som också är docent vid UNM:s institution för fysik &astronomi. — Det är ett väldigt spännande bidrag.

Traditionella lasrar består av tre huvudkomponenter:en energikälla, gain medium och optisk kavitet. Energikällan tillhandahålls genom en process som kallas "pumpning" och kan tillföras genom en elektrisk ström eller annan ljuskälla. Den energin passerar sedan genom förstärkningsmediet som innehåller egenskaper som förstärker ljuset. Den optiska kaviteten - ett par speglar på vardera sidan av förstärkningsmediet - studsar ljuset fram och tillbaka genom mediet, förstärker det varje gång. Resultatet är en riktad, en intensiv ljusstråle som kallas laser.

Slumpmässiga lasrar, i jämförelse, utföra med hjälp av en pump, ett mycket stört förstärkningsmedium men ingen optisk hålighet. De är extremt användbara på grund av deras enkelhet och breda spektrala egenskaper, vilket betyder att en enda slumpmässig laser kan producera en ljusstråle som innehåller flera spektra, en mycket fördelaktig egenskap för vissa tillämpningar som biomedicinsk avbildning. Dock, med tanke på deras natur, slumpmässiga lasrar är svåra att kontrollera på ett tillförlitligt sätt på grund av deras multi-directional output och kaotiska fluktuationer.

UNM-teamet, i samarbete med forskare vid Clemson University och University of California San Diego, har kunnat övervinna dessa hinder på ett effektivt sätt - en seger som de hoppas kommer att fortsätta att driva användningen av slumpmässiga lasrar framåt.

"Vår enhet har alla de fantastiska egenskaperna hos en slumpmässig laser, plus spektral stabilitet och den är mycket riktad, " sa maffian. "Det är en underbar utveckling."

Forskare kan uppnå dessa resultat genom tillverkning och användning av en unik glas Anderson lokaliserande optisk fiber. Fibern är gjord av en "satin kvarts", ett extremt poröst hantverksglas som vanligtvis endast används för att kalibrera maskineriet som drar fiberoptik. När den dras i långa stavar, det porösa materialet bildar dussintals mikroskopiska luftkanaler i varje fiber.

"Glaset som vi använder för den här fiberoptiken är faktiskt material som vi vanligtvis skulle slänga eftersom det är väldigt poröst, sade Abaie. "Men, det är de där hålen i glaset som faktiskt skapar kanalerna som styr lasern."

När den väl fyllts med ett förstärkningsmedium och pumpats med en enfärgad grön laser, den slumpmässiga lasern blir mindre slumpmässig och mycket kontrollerbar, tack vare ett fenomen som kallas Anderson Localization.

"Det finns fortfarande mycket att lära om Anderson Localization men det är spännande för oss att vara en del av denna utveckling, " sa Mafi. "För att faktiskt kunna göra enheter som använder detta fenomen, det tar vetenskapen till ännu en nivå."

Mafi och hans forskargrupp är några av de ledande experterna inom Anderson Localization. Under 2014, de publicerade en artikel om en annan enhet som kan överföra bilder med hjälp av fenomenet. Den forskningen utsågs till ett av Physics Worlds tio bästa genombrott under året.

Går vidare, Mafi säger att de hoppas kunna bredda spektrumet av den här nya enheten och göra den mer effektiv, skapa en belysningskälla med ett brett spektrum som kan användas över hela världen.