A Parametric Study of Mirrorless Lasing Dynamics

Abstract

There exists a lack of laser-based remote sensing methods that give signals with high intensity and directionality. According to previous research, mirrorless lasing can meet these requirements; however, neither the dependence on the gain medium geometry nor the light-matter interaction responsible for the emission has been investigated in detail. This thesis project examined the sideways lasing emission from a gain medium with a Fresnel number much smaller than one, generated by the overlap of two counterpropagating femtosecond laser pulses in xenon gas at atmospheric pressure. Both spatial and temporal measurements of the sideways lasing emission were made, with the latter being obtained using a streak camera. The emission was highly localised in space, suggesting it originated from the overlap. It also yielded a power dependence with a clear threshold and an interference pattern indicating coherence, both of which showed strong agreement with the predicted behaviour for superfluorescence (SF). The recorded temporal profile displayed a pulse with oscillations on the incline and the decline, appearing with a delay of about 70 ps relative to the excitation pulse and thus corresponding well to the theoretical predictions for SF emitted from a gain medium with a Fresnel number much smaller than one. It can therefore be concluded that the observed sideways lasing was generated by SF. Additionally, the dependence of the emission on the gain medium geometry was in good accordance with theory. These measurements, to the best of the author's knowledge, provide the first thorough investigation of mirrorless lasing at atmospheric pressure for this gain medium configuration, thus opening the way for both further fundamental research and the implementation of these techniques in applied laser diagnostics.

Popular Abstract (Swedish)

Föreställ dig en värld där vi kan få information om ett objekt på flera meters avstånd utan att behöva gå nära det. Objektet kanske är något vi stör om vi kommer för nära, som en insekt, eller så är det något farligt, som avgaserna från en raket. Faktum är att vi kan göra precis detta idag – med hjälp av lasrar. Vanligtvis skickar forskare laserljus mot objektet, som absorberar det och skickar tillbaka en annan typ av ljus. Vilken typ av ljus som skickas tillbaka beror helt på objektet, eftersom olika material reagerar olika på olika typer av ljus. Detta innebär att om forskarna kan detektera detta ljus, så kan det ge dem mycket värdefull information om objektet.

Det finns dock ett stort problem: ljuset som skickas tillbaka från objektet är vanligtvis väldigt svagt eftersom det sprids i alla riktningar. Det gör det mycket svårt att detektera, vilket i sin tur gör den utvunna informationen opålitlig. Tyvärr begränsar detta forskningens utveckling, då vissa experiment helt enkelt blir för svåra att genomföra.

Syftet med det här projektet är att lösa det problemet. Vi vill undersöka en okänd typ av ljus som kallas spegellös lasring (mirrorless lasing). Detta ljus har en tydlig riktning, vilket gör det mycket lättare att detektera och innebär att signalen i praktiken blir starkare. På många sätt liknar detta ljus det från en vanlig laser, men vi behöver inga speglar eller andra komponenter som en laser vanligtvis består av (vilket förklarar namnet).

Det enda problemet är att det finns väldigt få akademiska studier som kretsar kring att förstå hur spegellös lasring faktiskt fungerar – vilket innebär att undersökningarna som presenteras här aldrig har gjorts förut. Dessutom tar vi det till och med ännu ett steg längre; vi undersöker om vi också kan styra vilken riktning ljuset skickas ut i.

När en atom kommer i kontakt med en laser kan den ibland absorbera laserljuset. Eftersom ljus kan betraktas som energi, kommer denna absorption att excitera atomen till ett högre energitillstånd. Denna nivå är alltid instabil, så atomen kommer att falla tillbaka till sitt ursprungliga tillstånd efter en viss tid. Den förlorar då energin den fick tidigare, och denna energi måste ta vägen någonstans. Ett sätt för atomen att göra sig av med energin är att skicka ut den som ljus igen. Mängden utskickat ljus motsvarar då exakt det unika energihopp som atomen gjorde, vilket innebär att ljuset automatiskt bär på information om just den specifika atomen. Detta energihopp kan ske genom många olika fysikaliska processer, vilket ger ljuset olika egenskaper.

Generellt kan vi säga att det finns två huvudkategorier av ljus. Den största kategorin innehåller det som beter sig som solen, vilket innebär att det skickas ut lika mycket ljus i alla riktningar samtidigt. Sedan finns en mindre kategori innehållande ljus som beter sig som en laser och alltså skickar ut ljus i form av en smal stråle med en tydlig riktning. Spegellös lasring tillhör den andra kategorin. Vilken typ av ljus vi får ut beror på flera faktorer –intensiteten på lasern som exciterar atomerna, hur länge de är i kontakt med lasern, hur många atomer vi har och vilken typ av atomer det rör sig om.

Men hur genererar vi då denna sällsynta form av ljus som är spegellös lasring? Jo, det görs genom att fokusera laserstrålen in i en gas. Atomerna i brännpunkten (fokus) kommer att absorbera mest ljus och det är endast dessa som kommer att skicka ut den spegellösa lasringen. När vi väl har skapat ljuset kan vi se hur det färdas i både tid och rum för att lära oss mer om det. Därefter kan vi ta all denna information och jämföra den med kända fysikaliska processer som genererar ljus, för att helt enkelt se vilken som stämmer bäst överens med våra observationer.

Tidigare forskning om spegellös lasring visade att hur laserstrålen fokuseras avgör i vilken riktning ljuset skickas ut. Vi ville enkelt kunna jämföra teori med vårt experiment, så vi valde en fokusgeometri som var väl förutsagd i teorin: en extremt tunn linje. För att uppnå en så smal form räckte det inte med att bara fokusera laserstrålen. Vi behövde också använda två laserpulser som kom från motsatta håll. Där dessa två pulser möts i rum och tid blir laserns intensitet dubbelt så hög som överallt annars där laserpulsen passerar. Den spegellösa lasringen kommer då endast att skickas ut från det område där pulserna överlappar, vilket är extremt tunt när man använder en ultrasnabb laser.

Sammanfattningsvis handlar det här projektet om att lära sig mer om en okänd typ av ljus som kommer att driva forskningen framåt. Ju mer vi lär oss om spegellös lasring, desto mer kan vi använda oss av det. Detta projekt tar oss därmed ett steg närmare en framtid där vi kan skapa laserliknande ljus med enbart ljus.

• author: Lozani Gerdhem, Klara
• supervisor: Joakim Bood; Andreas Ehn; Vassily Kornienko; Jonas Ravelid
• organization: Combustion Physics; Department of Physics
• course: PHYM03 20252
• year: 2026
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Physics and Astronomy
• keywords: laser diagnostics, ultrafast laser diagnostics, mirrorless lasing, sideways lasing, superfluorescence, amplified spontaneous emission
• language: English
• id: 9230779
• date added to LUP: 2026-06-04 08:20:44
• date last changed: 2026-06-04 08:20:44