Schallwellen in der Luft lenken intensive Laserpulse ab – Physics World

Ultraschallwellen in der Luft wurden genutzt, um leistungsstarke Laserstrahlen zu manipulieren – erstmals behaupteten Forscher in Deutschland. Das akusto-optische Bragg-Gitter des Teams könnte zu neuen und nützlichen Möglichkeiten der Lichtmanipulation führen.

Von der Erkennung von Gravitationswellen bis hin zur Halbleiterfertigung beruht ein Großteil der modernen Wissenschaft und Technologie auf der präzisen Steuerung von Laserlicht.

„Optische Elemente wie Gitter, Linsen oder Modulatoren bilden seit jeher die Grundbestandteile optischer Geräte wie Laser, Mikroskope und Atomuhren, die viele Durchbrüche in verschiedenen wissenschaftlichen Bereichen ermöglicht haben“, erklärt Christoph Heyl DESY, der die Forschung leitete.

Allerdings bringen die Forderungen nach höherer Leistung, kürzeren Pulsen und einer strengeren Kontrolle der Eigenschaften des Laserlichts selbst die fortschrittlichsten optischen Elemente an ihre Grenzen. Heutzutage müssen Forscher ihre Methoden anpassen, um lichtinduzierte Schäden an optischen Komponenten zu vermeiden und unerwünschte Absorptionen und nichtlineare Effekte zu verhindern, die die Qualität des Laserlichts verschlechtern.

Dichtemanipulation

Jetzt haben Heyl und Kollegen einen neuartigen Ansatz zur Lichtsteuerung gewählt, der verspricht, einige der Probleme herkömmlicher optischer Komponenten zu vermeiden. Ihre Technik besteht darin, die Dichte der Luft auf Längenskalen zu manipulieren, die der Wellenlänge des Lichts entsprechen.

„Wir nutzen hochintensive Ultraschallfelder, um Laserstrahlen direkt in der Umgebungsluft zu steuern und unter einem kleinen Winkel umzulenken. Dabei nutzen wir das Prinzip der akusto-optischen Modulation“, erklärt Heyl.

In ihrem Experiment montierten die Forscher einen Ultraschallwandler gegenüber einem planaren Schallreflektor. Dadurch entsteht im Luftspalt eine stehende Ultraschallwelle mit hohem Druck – eine Welle, die scharfe, periodische Schwankungen der Luftdichte aufweist. Der Brechungsindex von Luft nimmt mit der Dichte zu, sodass die stehende Welle wie ein Bragg-Gitter wirkt, das Licht mithilfe optischer Beugung ablenken kann. Während diese Technik zur Herstellung von Gittern in festen Medien wie Glas verwendet wird, sagt das Team, dass dies das erste Mal ist, dass sie mit Luft durchgeführt wurde.

Um ihr Gitter zu nutzen, platzierten Heyl und Kollegen ein Paar gegenüberliegender Spiegel senkrecht zur stehenden Ultraschallwelle. Ein Lichtstrahl tritt in das Gerät ein und wird viele Male hin und her reflektiert, bevor er das Gerät verlässt. Dadurch vergrößert sich die Distanz, die das Licht durch das Bragg-Gitter zurücklegt, wodurch der Beugungseffekt verstärkt wird.

Hochleistungshandling

Das Team stellte fest, dass etwa 50 % des einfallenden Lichts abgelenkt und der Rest durchgelassen wurde – wobei die Qualität des einfallenden Laserlichts erhalten blieb. Das Team sagt, dass numerische Simulationen darauf hindeuten, dass dieser Prozentsatz in Zukunft deutlich erhöht werden könnte. Darüber hinaus kann das Gitter Gigawatt-Laserpulse verarbeiten, die etwa tausendmal intensiver sind als die Obergrenze von Geräten, die die akustooptische Modulation fester Materialien nutzen.

„Unser Ansatz umgeht die Einschränkungen, die feste Medien normalerweise mit sich bringen: Dazu gehören eine um Größenordnungen geringere Dispersion, höhere Spitzenleistungen und größere Wellenlängenbereiche“, erklärt Teammitglied Yannick Schrödel, Doktorand bei DESY.

Basierend auf diesen Ergebnissen prognostiziert das Team eine Vielzahl zukünftiger Anwendungen für sein akustisch-optisches Bragg-Gitter. „Unsere Methode bietet direkte Wege zu neuartigen optischen Amplituden- und Phasenmodulatoren, Schaltern, Strahlteilern und vielen weiteren Elementen, die direkt mithilfe gasbasierter Gitter implementiert werden“, sagt Schrödel.

Das Team freut sich auch auf die Entwicklung weiterer neuer Technologien zur Lichtmanipulation. „Außerdem könnten fortschrittlichere optische Elemente realisiert werden“, so Schrödel weiter. „Dies könnte aufregende neue Richtungen für ultraschnelle Optiken und andere Bereiche ermöglichen, in denen die optische Leistung und die spektrale Abdeckung an Grenzen stoßen.“

Das akusto-optische Bragg-Gitter ist in beschrieben Nature Photonics.

• SEO-gestützte Content- und PR-Distribution. Holen Sie sich noch heute Verstärkung.
• PlatoData.Network Vertikale generative KI. Motiviere dich selbst. Hier zugreifen.
• PlatoAiStream. Web3-Intelligenz. Wissen verstärkt. Hier zugreifen.
• PlatoESG. Kohlenstoff, CleanTech, Energie, Umwelt, Solar, Abfallwirtschaft. Hier zugreifen.
• PlatoHealth. Informationen zu Biotechnologie und klinischen Studien. Hier zugreifen.
• Quelle: https://physicsworld.com/a/sound-waves-in-air-deflect-intense-laser-pulses/