Ljudvågor i luften avleder intensiva laserpulser – Physics World

Ljudvågor i luften avleder intensiva laserpulser – Physics World

Tidsstämpel: 31 oktober 2023 4:13

Akustisk deflektor
Ljud idé: laserljus passerar mellan en ultraljudsgivare-reflektoruppsättning som skapar ett Bragg-gitter av luft. Laserstrålen samverkar med detta gitter och avböjs utan att färdas genom ett fast medium. (Med tillstånd: Science Communication Lab for DESY)

Ultraljudsvågor i luft har använts för att manipulera kraftfulla laserstrålar – i ett första påstående av forskare i Tyskland. Teamets akusto-optiska Bragg-galler kan leda till nya och användbara sätt att manipulera ljus.

Från gravitationsvågdetektering till halvledartillverkning, mycket av modern vetenskap och teknik förlitar sig på exakt kontroll av laserljus.

"Optiska element som gitter, linser eller modulatorer har alltid utgjort de grundläggande ingredienserna bakom optiska enheter inklusive lasrar, mikroskop och atomur, som har möjliggjort många genombrott inom olika vetenskapliga områden", förklarar Christoph Heyl på DESY, som ledde forskningen.

Kraven på högre effekt, kortare pulser och strängare kontroll över egenskaperna hos laserljus driver dock även de mest avancerade optiska elementen över sina gränser. Idag måste forskare anpassa sina metoder för att undvika ljusinducerade skador på optiska komponenter och motverka oönskad absorption och icke-linjära effekter som försämrar kvaliteten på laserljus.

Densitetsmanipulation

Nu har Heyl och kollegor tagit ett nytt tillvägagångssätt för att styra ljus som lovar att undvika några av de problem som är förknippade med konventionella optiska komponenter. Deras teknik innebär att manipulera luftens densitet på längdskalor i nivå med ljusets våglängd.

"Vi använder mycket intensiva ultraljudsfält för att styra och omdirigera laserstrålar under en liten vinkel direkt i omgivande luft, med principen om akusto-optisk modulering," förklarar Heyl.

I sitt experiment monterade forskarna en ultraljudsgivare mittemot en plan ljudreflektor. Detta etablerar en högtrycks stående ultraljudsvåg i luftgapet – en våg som har skarpa, periodiska variationer i luftdensitet. Luftens brytningsindex ökar med densiteten, så den stående vågen fungerar som ett Bragg-gitter som kan avleda ljus med optisk diffraktion. Även om denna teknik används för att skapa galler i fasta medier som glas, säger teamet att det är första gången det har gjorts med luft.

För att använda sitt galler placerade Heyl och kollegor ett par motsatta speglar vinkelrätt mot den stående ultraljudsvågen. En ljusstråle kommer in i enheten och reflekteras fram och tillbaka många gånger innan den lämnar enheten. Detta ökar avståndet som ljuset färdas genom Bragg-gittret, vilket förstärker diffraktionseffekten.

Högeffektshantering

Teamet fann att cirka 50 % av det infallande ljuset avböjdes och resten överfördes – med kvaliteten på det infallande laserljuset bevarad. Teamet säger att numeriska simuleringar tyder på att denna procentandel kan ökas avsevärt i framtiden. Dessutom kan gittret hantera gigawatt-laserpulser som är ungefär tusen gånger mer intensiva än den övre gränsen för enheter som använder akusto-optisk modulering av fasta material.

"Vårt tillvägagångssätt ger en förbikoppling till de restriktioner som fasta medier vanligtvis ålägger: inklusive storleksordningar lägre spridning, högre toppeffekter och bredare våglängdsintervall", förklarar teammedlem Yannick Schrödel, som är doktorand vid DESY.

Baserat på dessa resultat förutspår teamet en mångfald av framtida tillämpningar för deras akustiska optiska Bragg-gitter. "Vår metod ger direkta vägar till nya optiska amplitud- och fasmodulatorer, switchar, stråldelare och många fler element, direkt implementerade med hjälp av gasbaserade gitter", säger Schrödel.

Teamet ser också fram emot utvecklingen av andra nya tekniker för att manipulera ljus. "Dessutom skulle mer avancerade optiska element kunna realiseras", fortsätter Schrödel. "Detta kan möjliggöra spännande nya riktningar för ultrasnabb optik och andra områden som möter gränser i optisk effekt och spektral täckning."

Det akustooptiska Bragg-gallret beskrivs i Naturfotonik.

Tidsstämpel:

Mer från Fysikvärlden