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跨學科研究小組報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量。相關研究已“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、量子計量學、超快科學到半導體制造，控制相干光的強度、形狀、方向和相位在許多領域都至關重要。然而，現(xiàn)代光子學可能會涉及一些參數(shù)區(qū)，在這些參數(shù)區(qū)中，由于固體介質的吸收、光誘導損傷或光學非線性，波長或高光功率限制了控制。在此，研究人員建議使用高強度超聲波定制的氣態(tài)介質來規(guī)避這些限制。

來源：DESY 科學傳播實驗室

研究人員利用超聲波在環(huán)境空氣中有效地偏轉超短激光脈沖，而無需使用透射固體介質，從而展示了這種方法的實現(xiàn)。在 20 GW 的光峰值功率下，研究人員的偏轉效率超過了 50%，同時保持了極佳的光束質量，超過了以往基于固體的聲光調制的極限約三個數(shù)量級。研究人員的方法并不局限于激光脈沖偏轉；由聲波控制的氣相光子方案有可能用于實現(xiàn)透鏡或波導等新型光學元件，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示意圖。

這項創(chuàng)新技術利用聲波對激光束通過區(qū)域的空氣進行調制。研究人員借助聲學密度波產(chǎn)生了一個隱形光柵。

在特殊揚聲器的幫助下，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。

實驗裝置和偏轉效率與聲功率和時間的關系。

在首次實驗室測試中，強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，未來應該可以實現(xiàn)更高的效率。

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在這個動畫中，一束激光穿過一個揚聲器-反射器陣列，該陣列產(chǎn)生了一個空氣光柵。激光束與光柵相互作用，在不接觸的情況下發(fā)生偏轉。來源：DESY 科學傳播實驗室

研究小組認為這項技術在高性能光學領域具有巨大潛力。在實驗中，研究人員使用了峰值功率為 20 千兆瓦的紅外激光脈沖，相當于約 20 億個 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。

科學家們強調，在氣體中對激光進行聲學控制的原理并不局限于光學光柵的產(chǎn)生。它很可能還可以應用于透鏡和波導等其他光學元件。

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

相關論文鏈接：

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