Lydbølger i luft avleder intense laserpulser – Physics World

Lydbølger i luft avleder intense laserpulser – Physics World

Tidsstempel: 31. oktober 2023 4:13

Akustisk deflektor
Lydidé: laserlys passerer mellom en ultralydsvinger-reflektorgruppe som skaper et Bragg-gitter av luft. Laserstrålen samhandler med dette gitteret og avbøyes uten å bevege seg gjennom et fast medium. (Med tillatelse: Science Communication Lab for DESY)

Ultralydbølger i luft har blitt brukt til å manipulere kraftige laserstråler - i en første hevdet av forskere i Tyskland. Teamets akusto-optiske Bragg-gitter kan føre til nye og nyttige måter å manipulere lys på.

Fra gravitasjonsbølgedeteksjon til halvlederfabrikasjon, mye av moderne vitenskap og teknologi er avhengig av nøyaktig kontroll av laserlys.

"Optiske elementer som gitter, linser eller modulatorer har alltid dannet de grunnleggende ingrediensene bak optiske enheter, inkludert lasere, mikroskoper og atomklokker, som har muliggjort mange gjennombrudd innen ulike vitenskapelige felt," forklarer Christoph Heyl ved DESY, som ledet forskningen.

Krav om høyere effekt, kortere pulser og tettere kontroll over egenskapene til laserlys presser imidlertid selv de mest avanserte optiske elementene utover sine grenser. I dag må forskere tilpasse metodene sine for å unngå lysindusert skade på optiske komponenter, og dempe mot uønsket absorpsjon og ikke-lineære effekter som forringer kvaliteten på laserlys.

Tetthetsmanipulering

Nå har Heyl og kolleger tatt en ny tilnærming til å kontrollere lys som lover å unngå noen av problemene forbundet med konvensjonelle optiske komponenter. Teknikken deres innebærer å manipulere tettheten til luft ved lengdeskalaer på nivå med lysets bølgelengde.

"Vi bruker svært intense ultralydfelt for å kontrollere og omdirigere laserstråler under en liten vinkel direkte i omgivelsesluften, ved å bruke prinsippet om akusto-optisk modulering," forklarer Heyl.

I eksperimentet sitt monterte forskerne en ultralydsvinger overfor en plan lydreflektor. Dette etablerer en høytrykks stående ultralydbølge i luftgapet - en bølge som har skarpe, periodiske variasjoner i lufttetthet. Brytningsindeksen til luft øker med tettheten, så den stående bølgen fungerer som et Bragg-gitter som kan avlede lys ved hjelp av optisk diffraksjon. Mens denne teknikken brukes til å lage rister i faste medier som glass, sier teamet at dette er første gang det er gjort med luft.

For å bruke gitteret deres plasserte Heyl og kollegene et par motsatte speil vinkelrett på den stående ultralydbølgen. En lysstråle kommer inn i enheten og reflekteres frem og tilbake mange ganger før den går ut av enheten. Dette øker avstanden som lyset reiser gjennom Bragg-gitteret, og forsterker diffraksjonseffekten.

Høyeffektshåndtering

Teamet fant at omtrent 50 % av det innfallende lyset ble avledet og resten ble overført - med kvaliteten på det innfallende laserlyset bevart. Teamet sier at numeriske simuleringer tyder på at denne prosentandelen kan økes betydelig i fremtiden. Dessuten kan gitteret håndtere gigawatt-laserpulser som er omtrent tusen ganger mer intense enn den øvre grensen for enheter som bruker akusto-optisk modulering av faste materialer.

"Vår tilnærming gir en bypass til begrensningene som solide medier vanligvis pålegger: inkludert størrelsesordener lavere spredning, høyere toppeffekter og bredere bølgelengdeområder," forklarer teammedlem Yannick Schrödel, som er doktorgradsstudent ved DESY.

Basert på disse resultatene forutsier teamet et mangfoldig utvalg av fremtidige bruksområder for deres akustiske optiske Bragg-gitter. "Vår metode gir direkte ruter til nye optiske amplitude- og fasemodulatorer, brytere, stråledelere og mange flere elementer, direkte implementert ved hjelp av gassbaserte gitter," sier Schrödel.

Teamet ser også frem til utviklingen av andre nye teknologier for å manipulere lys. "I tillegg kan mer avanserte optiske elementer realiseres," fortsetter Schrödel. "Dette kan muliggjøre spennende nye retninger for ultrarask optikk og andre felt som møter grenser i optisk kraft og spektral dekning."

Det akusto-optiske Bragg-gitteret er beskrevet i Nature Photonics.

Tidstempel:

Mer fra Fysikkens verden