德國電子同步輻射加速器DESY、德國耶拿亥姆霍茲研究所等一個(gè)跨學(xué)科研究小組報(bào)道了由空氣制成的隱形光柵不僅不會受到激光的破壞，而且還能保持光束的原有質(zhì)量。相關(guān)研究已“Acousto-optic modulation of gigawatt-scale laser pulses in ambient air”為題發(fā)表在《Nature Photonics》上。

從引力波天文學(xué)、量子計(jì)量學(xué)、超快科學(xué)到半導(dǎo)體制造，控制相干光的強(qiáng)度、形狀、方向和相位在許多領(lǐng)域都至關(guān)重要。然而，現(xiàn)代光子學(xué)可能會涉及一些參數(shù)區(qū)，在這些參數(shù)區(qū)中，由于固體介質(zhì)的吸收、光誘導(dǎo)損傷或光學(xué)非線性，波長或高光功率限制了控制。在此，研究人員建議使用高強(qiáng)度超聲波定制的氣態(tài)介質(zhì)來規(guī)避這些限制。

來源：DESY 科學(xué)傳播實(shí)驗(yàn)室

研究人員利用超聲波在環(huán)境空氣中有效地偏轉(zhuǎn)超短激光脈沖，而無需使用透射固體介質(zhì)，從而展示了這種方法的實(shí)現(xiàn)。在 20 GW 的光峰值功率下，研究人員的偏轉(zhuǎn)效率超過了 50%，同時(shí)保持了極佳的光束質(zhì)量，超過了以往基于固體的聲光調(diào)制的極限約三個(gè)數(shù)量級。研究人員的方法并不局限于激光脈沖偏轉(zhuǎn)；由聲波控制的氣相光子方案有可能用于實(shí)現(xiàn)透鏡或波導(dǎo)等新型光學(xué)元件，這些元件能有效抵御損壞，并能在新的光譜區(qū)域工作。

超聲波輔助激光束在空氣中的角度偏轉(zhuǎn)示意圖。

這項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)利用聲波對激光束通過區(qū)域的空氣進(jìn)行調(diào)制。研究人員借助聲學(xué)密度波產(chǎn)生了一個(gè)隱形光柵。

在特殊揚(yáng)聲器的幫助下，研究人員在空氣中形成了密度高和密度低的區(qū)域，形成了條紋光柵。由于空氣密度的不同會使地球大氣層中的光線發(fā)生彎曲，因此這種密度圖案就起到了光柵的作用，改變了激光光束的方向。

實(shí)驗(yàn)裝置和偏轉(zhuǎn)效率與聲功率和時(shí)間的關(guān)系。

在首次實(shí)驗(yàn)室測試中，強(qiáng)紅外激光脈沖以這種方式重新定向的效率為50%。根據(jù)數(shù)值模型，未來應(yīng)該可以實(shí)現(xiàn)更高的效率。

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在這個(gè)動畫中，一束激光穿過一個(gè)揚(yáng)聲器-反射器陣列，該陣列產(chǎn)生了一個(gè)空氣光柵。激光束與光柵相互作用，在不接觸的情況下發(fā)生偏轉(zhuǎn)。來源：DESY 科學(xué)傳播實(shí)驗(yàn)室

研究小組認(rèn)為這項(xiàng)技術(shù)在高性能光學(xué)領(lǐng)域具有巨大潛力。在實(shí)驗(yàn)中，研究人員使用了峰值功率為 20 千兆瓦的紅外激光脈沖，相當(dāng)于約 20 億個(gè) LED 燈泡的功率。這種甚至更高功率等級的激光可用于材料加工、核聚變研究或最新的粒子加速器等。

高峰值功率下超短激光脈沖的 AO 衍射。

科學(xué)家們強(qiáng)調(diào)，在氣體中對激光進(jìn)行聲學(xué)控制的原理并不局限于光學(xué)光柵的產(chǎn)生。它很可能還可以應(yīng)用于透鏡和波導(dǎo)等其他光學(xué)元件。

在環(huán)境空氣中直接將光偏轉(zhuǎn)技術(shù)已經(jīng)得到了證實(shí)，它開辟了前景廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，尤其是作為高功率激光器的快速開關(guān)?，F(xiàn)代光學(xué)幾乎完全基于光與固體物質(zhì)的相互作用。研究人員的方法開辟了一個(gè)全新的研究方向。

相關(guān)論文鏈接：

Yannick Schr?del et al, Acousto-optic modulation of gigawatt-scale laser pulses in ambient air, Nature Photonics (2023). DOI: 10.1038/s41566-023-01304-y

https://phys.org/news/2023-10-air-deflect-lasers.html