ในวิทยาศาสตร์เลเซอร์เลเซอร์แบบสุ่ม ( RL ) คือเลเซอร์ที่ มี การป้อนกลับทางแสงโดยอนุภาคที่กระเจิง^{[ 1 ]}เช่นเดียวกับเลเซอร์ทั่วไปจำเป็นต้องมีตัวกลางขยาย เพื่อ การขยายแสงอย่างไรก็ตาม ในทางตรงกันข้ามกับโพรง Fabry–Pérotและเลเซอร์ป้อนกลับแบบกระจาย เลเซอร์แบบสุ่มไม่ได้ใช้พื้นผิวสะท้อนแสงหรือโครงสร้างเป็นระยะแบบกระจาย เนื่องจากแสงถูกจำกัดอยู่ในบริเวณแอคทีฟโดยองค์ประกอบที่แพร่กระจายซึ่งอาจมีการกระจายตัวในเชิงพื้นที่ภายในตัวกลางขยายหรือไม่ก็ได้

หลักการสำคัญเบื้องหลังเลเซอร์แบบสุ่มคือการเพิ่มระยะทางเดินของแสงด้วยตัวกลางที่ไม่เป็นระเบียบ ซึ่งสามารถทำได้โดยใช้ตัวกลางที่ไม่เป็นระเบียบแบบแพร่กระจาย หรือโดยการใช้การรวมแสงอย่างเข้มข้นในตัวกลางที่ไม่เป็นระเบียบ โดยมีพื้นหลังที่เลเซอร์ทำงานอยู่

มีการรายงานการเกิดเลเซอร์แบบสุ่มจากวัสดุหลากหลายชนิด เช่น สารละลาย คอลลอยด์ของสีย้อมและอนุภาคกระจายแสง^{[ 2 ]} ผงเซมิคอนดักเตอร์^{[ 3 ]}ฟิล์มบางโพลีคริสตัลไลน์เซมิคอนดักเตอร์[ ^{4 ]}เส้นใยนำแสง^{[ 5 ]}โพลิเมอร์ [ ^{6 ]}และเนื้อเยื่อชีวภาพ^{[ 7 ]}เนื่องจากการปล่อยแสงที่มีความสอดคล้องเชิงพื้นที่ต่ำและประสิทธิภาพการแปลงพลังงาน คล้ายเลเซอร์ เลเซอร์แบบสุ่ม ^จึงเป็นอุปกรณ์ที่น่าสนใจสำหรับการใช้งานด้านการส่องสว่างที่ประหยัดพลังงาน^{[ 8 ] แนวคิด}ของการเกิดเลเซอร์แบบสุ่มยังสามารถย้อนกลับเวลาได้ส่งผลให้เกิดเลเซอร์ต่อต้านแบบสุ่ม[ 9 ^{]ซึ่งเป็น}ตัวกลางที่ไม่เป็นระเบียบที่สามารถดูดซับรังสีที่สอดคล้องกันที่เข้ามาได้อย่างสมบูรณ์

หลักการทำงานของ RL ได้รับการถกเถียงกันอย่างกว้างขวางและมีการรายงานแนวทางทฤษฎีที่แตกต่างกัน (ดูเอกสารอ้างอิงใน^{[ 10 ]} ) องค์ประกอบหลักของ RL เช่นเดียวกับเลเซอร์ทั่วไป คือ การขยายและการป้อนกลับ โดยการขยายจะเกิดขึ้นจากตัวกลางขยายที่ถูกปั๊ม และการป้อนกลับจะเกิดขึ้นจากอนุภาคที่กระเจิง

การป้อนกลับแบบกระจายเป็นสถาปัตยกรรมที่ใช้กันทั่วไปมากที่สุด^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 5 ] [ 6 ]}ซึ่งอนุภาคที่กระจายตัวจะถูกฝังและกระจายแบบสุ่มในตัวกลางขยาย ในทางตรงกันข้ามกับการป้อนกลับแบบกระจาย ใน RL ที่มีการป้อนกลับแบบเฉพาะที่ในเชิงพื้นที่ การขยายและการป้อนกลับจะถูกแยกออกจากกันในเชิงพื้นที่ โดยตัวกลางขยายถูกจำกัดโดยตัวกลางกระจาย ซึ่งทำหน้าที่เป็นองค์ประกอบป้อนกลับและตัวเชื่อมต่อเอาต์พุต^{[ 11 ] [ 12 ]}

ในสถาปัตยกรรมทั้งสองแบบ การสั่นพ้องและโหมดเลเซอร์จะเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อมีวงปิดที่มีความยาวคลื่นเป็นจำนวนเต็ม อนุภาคที่กระเจิงจะเพิ่มส่วนประกอบเฟสแบบสุ่ม (คาดเดาไม่ได้) ให้กับคลื่นตกกระทบ คลื่นที่กระเจิงจะแพร่กระจายและกระเจิงอีกครั้ง ทำให้เกิดส่วนประกอบเฟสแบบสุ่มเพิ่มขึ้น หากผลรวมของส่วนประกอบเฟสทั้งหมดในวงปิดเท่ากับจำนวนเต็มเท่าของ 2π ที่ความถี่หนึ่ง โหมดความถี่นั้นก็จะสามารถเกิดขึ้นได้ที่ความถี่นั้น

นับตั้งแต่มีการรายงานครั้งแรก พบว่า RL มีลักษณะสเปกตรัมที่แตกต่างกันสองแบบ คือ การปล่อยแสง แบบไม่เกิดเรโซแนนซ์ (เรียกอีกอย่างว่า การปล่อยแสงแบบไม่ สอดคล้องกันหรือแบบแอมพลิจูดอย่างเดียว ) ซึ่งมีลักษณะเป็นสเปกตรัมยอดเดียวที่มีความกว้างครึ่งหนึ่งของ ยอดสูงสุด (FWHM ) เพียงไม่กี่นาโนเมตร และ การปล่อย แสงแบบเกิดเรโซแนนซ์ (เรียกอีกอย่างว่า การปล่อยแสง แบบสอดคล้องกัน ) ซึ่งมีลักษณะเป็นยอดแคบหลายยอดที่มีความกว้างของเส้น สเปกตรัมต่ำกว่านาโนเมตร กระจายตัวแบบสุ่มในความถี่

การตั้งชื่อก่อนหน้านี้เป็นผลมาจากการตีความปรากฏการณ์^{[ 13 ]}เนื่องจากการสั่นพ้องที่คมชัดที่มีความกว้างเส้นย่อยระดับนาโนเมตรที่สังเกตได้ใน ระบอบ การสั่นพ้องบ่งชี้ถึงการมีส่วนร่วมบางอย่างจากเฟสทางแสง ในขณะที่ ระบอบ ที่ไม่ใช่การสั่นพ้องนั้นเข้าใจได้ว่าเป็นการขยายแสงที่กระเจิงโดยไม่มีความสัมพันธ์เฟสคงที่ระหว่างโฟตอนที่ขยาย

โดยทั่วไป สภาวะการทำงานทั้งสองแบบนั้นเกิดจากคุณสมบัติการกระเจิงขององค์ประกอบการแพร่กระจายในเลเซอร์แบบสุ่มที่มีการป้อนกลับแบบกระจาย: ตัวกลางที่มีการกระเจิงอ่อน (สูง) ซึ่งมีระยะทางเฉลี่ยในการเคลื่อนที่มากกว่า (เทียบเท่ากับ) ความยาวคลื่นการปล่อยแสง จะทำให้เกิด การปล่อยแสงเลเซอร์แบบ สุ่มที่ไม่เกิดการสั่นพ้อง ( เกิดการสั่นพ้อง )

เมื่อเร็วๆ นี้ได้มีการแสดงให้เห็นว่าระบอบการทำงานไม่ได้ขึ้นอยู่กับวัสดุที่ใช้เท่านั้น แต่ยังขึ้นอยู่กับขนาดและรูปร่างของปั๊มด้วย^{[ 12 ] [ 14 ]}สิ่งนี้ชี้ให้เห็นว่า ระบอบ ที่ไม่เกิดเรโซแนนซ์นั้นประกอบด้วยโหมดแคบจำนวนมากซึ่งทับซ้อนกันในเชิงพื้นที่และความถี่ และมีการเชื่อมต่อกันอย่างแน่นหนา ทำให้เกิดสเปกตรัมยอดเดียวที่มีความกว้างครึ่งหนึ่งของความสูงสูงสุด(FWHM) ที่แคบลง เมื่อเทียบกับเส้นโค้งการขยายและการปล่อยแสงแบบสปอนเทเนียส ที่ขยายใหญ่ขึ้น ใน ระบอบเรโซ แนนซ์จะมีการกระตุ้นโหมดน้อยลง โหมดเหล่านั้นจะไม่แข่งขันกันเพื่อการขยาย และไม่เชื่อมต่อกัน

การเกิดโลคัลไลเซชันแบบแอนเดอร์สันเป็นปรากฏการณ์ที่รู้จักกันดีซึ่งเกิดขึ้นเมื่ออิเล็กตรอนติดอยู่ใน โครงสร้าง โลหะ ที่ไม่เป็นระเบียบ และโลหะนี้ผ่านการเปลี่ยนเฟสจากตัวนำเป็นฉนวน^{[ 15 ]} อิเล็กตรอนเหล่านี้เรียกว่าเกิดโลคัลไลเซชันแบบแอนเดอร์สัน เงื่อนไขสำหรับการเกิดโลคัลไลเซชันนี้คือมีความหนาแน่นของตัวกระจายในโลหะ (อิเล็กตรอนอื่น ๆ สปิน ฯลฯ) สูงพอที่จะทำให้อิเล็กตรอนอิสระเคลื่อนที่ตามเส้นทางวนรอบเดียว

ความคล้ายคลึงกันระหว่างโฟตอนและอิเล็กตรอนได้กระตุ้นให้เกิดวิสัยทัศน์ว่าโฟตอนที่แพร่กระจายผ่านตัวกลางที่ทำให้เกิดการกระเจิงอาจถือได้ว่ามีการเกิดโลคัลไลเซชันแบบแอนเดอร์สันเช่นกัน ตามนี้ หากเป็นไปตามเกณฑ์ Ioffe-Regel ^{[ 16 ]}ซึ่งอธิบายอัตราส่วนของเวกเตอร์คลื่น โฟตอน kต่อระยะทางอิสระเฉลี่ย (ของโฟตอนที่ไม่ชนกับสิ่งใด) l : kl  < 1 แล้วมีความน่าจะเป็นที่โฟตอนจะถูกดักจับในลักษณะเดียวกับที่สังเกตเห็นอิเล็กตรอนถูกดักจับภายใต้การเกิดโลคัลไลเซชันแบบแอนเดอร์สัน ด้วยวิธีนี้ ในขณะที่โฟตอนถูกดักจับ ตัวกระเจิงอาจทำหน้าที่เป็นโพรงแสง ตัวกลางขยายที่ตัวกระเจิงอยู่จะทำให้ เกิด การปล่อยแบบกระตุ้นเช่นเดียวกับในเลเซอร์ทั่วไป หากการขยายมากกว่าการสูญเสียที่เกิดขึ้นเกณฑ์การเกิดเลเซอร์จะถูกทำลายและสามารถเกิดเลเซอร์ได้

โฟตอนที่เดินทางในวงจรนี้จะเกิดการแทรกสอดซึ่งกันและกัน ความยาวของโพรงที่กำหนดไว้อย่างดี (1–10 ไมโครเมตร) จะทำให้มั่นใจได้ว่าการแทรกสอด นั้น เป็นแบบเสริมกัน และจะทำให้โหมดบางโหมดสามารถสั่นได้ การแข่งขันเพื่อเพิ่มกำลังขยายจะทำให้โหมดหนึ่งสามารถสั่นได้เมื่อถึงเกณฑ์การเกิดเลเซอร์แล้ว

อย่างไรก็ตาม ทฤษฎีแสดงให้เห็นว่าสำหรับการกระเจิงหลายครั้งในสื่อสุ่มที่ขยาย การกำหนดตำแหน่งของแสงแบบแอนเดอร์สันจะไม่เกิดขึ้นเลย แม้ว่าการคำนวณการรบกวนจะเป็นสิ่งจำเป็นในการพิสูจน์ข้อเท็จจริงนั้นก็ตาม ในทางตรงกันข้าม กระบวนการกำหนดตำแหน่งแบบอ่อนที่เรียกว่าสามารถพิสูจน์ได้ แต่มีการถกเถียงกันอย่างชัดเจนว่ากลไกเหล่านั้นมีบทบาทสำคัญในสถิติโหมดหรือไม่^{[ 17 ]}

การศึกษาล่าสุดแสดงให้เห็นว่า กระบวนการ โลคัลไลเซชันที่อ่อนแอ เหล่านี้ ไม่ใช่ปรากฏการณ์หลักสำหรับการเริ่มต้นของการเกิดเลเซอร์แบบสุ่ม การเกิดเลเซอร์แบบสุ่มเกิดขึ้นเมื่อkl  > 1 ซึ่งสอดคล้องกับผลการทดลอง แม้ว่าการเดินทางของแสงบน "วงปิด" ที่แม่นยำจะสามารถอธิบายการเกิดจุดเลเซอร์ที่จำกัดได้อย่างเป็นธรรมชาติ แต่คำถามที่ยังคงเปิดอยู่ก็คือ กระบวนการปล่อยแสงแบบกระตุ้นมีความสัมพันธ์กับกระบวนการเหล่านั้นหรือไม่

อย่างไรก็ตาม ทฤษฎีเรื่อง "โพรงที่เกิดขึ้นก่อนแล้ว" ยังไม่ได้รับการยืนยัน

ปริมาณของตัวกลางเพิ่มกำลังแสงที่จำเป็นในการทำให้เกินเกณฑ์การเกิดเลเซอร์นั้นขึ้นอยู่กับความหนาแน่นของอนุภาคกระจายแสงเป็นอย่างมาก

สาขานี้ยังค่อนข้างใหม่และยังไม่มีการประยุกต์ใช้งานจริงมากนัก อย่างไรก็ตาม เลเซอร์แบบสุ่มที่ใช้ZnO เป็น วัสดุหลักนั้นเป็นตัวเลือกที่น่าสนใจสำหรับเลเซอร์ UV ที่กระตุ้นด้วยไฟฟ้า ไบโอเซนเซอร์ และการประมวลผลข้อมูลทางแสง เนื่องจากต้นทุนการผลิตต่ำและอุณหภูมิที่เหมาะสมที่สุดสำหรับ การผลิต วัสดุตั้งต้นนั้นอยู่ที่ประมาณ 500 °C สำหรับผงวัสดุ ซึ่งแตกต่างจากการผลิตผลึกเลเซอร์ทั่วไปที่อุณหภูมิสูงกว่า 700 °C

การใช้เลเซอร์แบบสุ่มเพื่อศึกษาการทำงานของเลเซอร์ในสารที่ไม่สามารถผลิตในรูปผลึกขนาดใหญ่ที่เป็นเนื้อเดียวกันได้ ก็ได้รับการชี้ให้เห็นว่าเป็นแอปพลิเคชันที่มีศักยภาพเช่นกัน นอกจากนี้ ในช่วงความถี่ที่ไม่มีกระจกสะท้อนแสงสูง (เช่น รังสีแกมมา รังสีเอ็กซ์) การป้อนกลับที่เกิดจากตัวกลางกระจายแสงที่เหมาะสมสามารถใช้เป็นทางเลือกแทนการทำงานของเลเซอร์ได้ แอปพลิเคชันเหล่านี้จำนวนมากที่เสนอมาก่อนปี 2548 ได้รับการทบทวนโดยโนกินอฟแล้ว^{[ 18 ]}ในปี 2558 Luan และเพื่อนร่วมงานได้เน้นย้ำถึงบางส่วน โดยเน้นที่สิ่งที่ได้รับการสาธิตเมื่อเร็ว ๆ นี้^{[ 19 ]}รวมถึงบาร์โค้ดโฟตอนิกส์ ออปโตไมโครฟลูอิดิกส์ แบตเตอรี่ออปติก การวินิจฉัยโรคมะเร็ง การถ่ายภาพชีวภาพแบบไร้จุดรบกวน สเปกโตรมิเตอร์แบบสุ่มบนชิป กล้องจุลทรรศน์/สเปกโตรสโกปีแบบเวลาจริง การตรวจจับ การระบุมิตร-ศัตรู เป็นต้น นอกจากนี้ เลเซอร์แบบสุ่มยังมีความเหนือกว่าที่สำคัญสองประการโดยธรรมชาติ ได้แก่ ความเข้มระดับเลเซอร์และการปล่อยแสงในมุมกว้าง ซึ่งเป็นสิ่งที่หาได้ยากในแหล่งกำเนิดแสงความร้อน ไดโอดเปล่งแสง (LED) และเลเซอร์ทั่วไป เชื่อกันว่าเลเซอร์แบบสุ่มเป็นแหล่งกำเนิดแสงที่มีศักยภาพและก้าวหน้าสำหรับการส่องสว่างด้วยเลเซอร์^{[ 20 ]}และการถ่ายภาพแบบไร้จุดรบกวน^{[ 21 ]}

• รายชื่อบทความเกี่ยวกับเลเซอร์

• วารสารทัศนศาสตร์ ฉบับพิเศษ: เลเซอร์นาโนและเลเซอร์สุ่ม กุมภาพันธ์ 2553 [1]