随着激光技术的发展，随机激光器逐渐受到越来越多的关注。与由谐振腔和晶体增益介质组成的传统激光器不同，它的光放大来自于光从无序的粒子集合中重复散射，而不需要从一对由反射镜组成的谐振腔内来回反射。但是，随机激光器在设置好后往往处于静态，只能提供一些固定的实际功能。
近日，英国伦敦帝国理工学院(UCL)和伦敦大学学院(ICL)的研究人员设计出了首个可重构自组织激光器。该团队实验中的自组装激光器，由分散在液体中的微粒胶体组成，具有非常高的增益。一旦足够多的微粒聚集在一起，它们就可以利用外部能量受激而产生激光。
该团队认为，他们的工作将有助于开发用于传感应用、非常规计算、新型光源、无散斑照明的新型功能材料，或可用于模仿适应性、自我修复和集体行为等生物特性的智能光子材料。
图1 研究团队设计的随机激光器，Janus粒子作为自组织激光活动的热点——其中激光甚至可以可控地从一个热点交换到另一个热点
在实验中，悬浮在激光染料中的微粒如果靠得足够近，就可以用来放大外部的泵浦光。具体而言，如果微粒的局部密度上升到特定阈值以上，则从悬浮粒子反弹的泵浦光会保持足够长的时间，从而在光离开密集区域之前产生净增益，进而产生激光。但是，虽然通过胶体可以灵活调控输出波长，但距离开发可控调谐的随机激光器还有很长的路要走。
由 ICL 物理学家 Riccardo Sapienza 和 UCL 化学家 Giorgio Volpe带领的研究团队希望找到一种方法，使随机激光器更具可编程性和适应性。为此，研究人员从生命系统中获得了启发，这些系统能够随着条件的变化而动态地自我组装和重新配置。Riccardo Sapienza 表示 是否可以创造出一种能够融合结构和功能、重新配置自身并像生物材料一样协作的激光器。
为了实现这一目标，该团队使用Janus 粒子将胶体悬浮微粒可逆地吸引到中心点。Janus 颗粒是球形微粒，具有不同的物理或化学特性，在粒子的两侧分别呈现。该团队推断，当用激光泵浦时，设计合理的 Janus 粒子可以作为一种微型加热器，将其他微粒吸入其区域，使其自发组织成随机激光。
图2 聚集在Janus粒子周围的微粒。虚线描绘了激光区域，粉/黄线显示了几个微粒的轨迹
研究团队使用悬浮化学将 Janus 颗粒制成半径为 4.22 微米的二氧化硅小球，在一侧涂有 60 纳米厚的碳层。然后，研究人员将 Janus 颗粒倒入含有悬浮的较小二氧化钛 (TiO2) 微粒的乙醇溶液中，并添加了基于罗丹明的激光染料作为增益介质。
当研究人员用波长为 633 nm 激光持续照射 Janus 粒子时， Janus 粒子正如预期那样吸收了入射光并升温。作为对局部加热的响应，嗜热悬浮的 TiO2 微粒涌向 Janus 粒子热点。
紧接着，研究人员用第二个脉冲 532 nm 激光泵浦热点区域，并随着 Janus 粒子周围 TiO2 微粒浓度的增加监测该区域的发射光谱。当微粒的密度达到临界阈值时，系统的发射线宽缩小到其初始值的一半——这是随机激光发生的明显迹象。而当照射Janus粒子的连续波点关闭时，Janus粒子迅速冷却，TiO2粒子消散，随机激射停止。
图3 激光微粒群在Janus粒子群周围形成不同的图案
该团队还发现，多个自组织胶体激光器可以进行“协作”。 当两个Janus粒子相隔大约一个泵点的距离，粒子交替加热时，可以使胶体粒子分别聚集并发射激光，激光活性在一个区域和另一个区域之间有效且可控地交换。
此外，该团队还展示了激光集群如何通过加热不同的Janus粒子在空间中传输，从而证明了该系统的适应性。“Janus”粒子也可以互相协作，创造出比简单添加两个粒子更有特性的粒子簇，比如改变它们的形状和增强它们的激光功率。
ICL-UCL 团队设计的系统的有一个缺陷是配置速度较慢，重新配置随机激光器需要几分钟时间。但研究人员强调，未来可以通过使用光场或电场代替热刺激或除热刺激之外的系统来提高速度。下一步，该团队将研究如何改进激光器的自主行为，使其更加栩栩如生，助力开发用于传感、计算、光源和其他应用的“一类新的活性功能材料”。
