Zvočni valovi v zraku odbijajo intenzivne laserske impulze – Svet fizike

Zvočni valovi v zraku odbijajo intenzivne laserske impulze – Svet fizike

Časovni žig: 31. oktober 2023 4:13
Izvorno vozlišče: 3037974


Akustični deflektor
Dobra ideja: laserska svetloba prehaja med nizom ultrazvočnega pretvornika-reflektorja, ki ustvari Braggovo rešetko zraka. Laserski žarek deluje s to rešetko in se odkloni, ne da bi potoval skozi trden medij. (Z dovoljenjem: Science Communication Lab za DESY)

Ultrazvočni valovi v zraku so bili uporabljeni za manipulacijo močnih laserskih žarkov – kot so prvi trdili raziskovalci v Nemčiji. Akustično-optična Braggova rešetka ekipe bi lahko vodila do novih in uporabnih načinov za manipulacijo svetlobe.

Od zaznavanja gravitacijskih valov do izdelave polprevodnikov se velik del sodobne znanosti in tehnologije opira na natančen nadzor laserske svetlobe.

»Optični elementi, kot so rešetke, leče ali modulatorji, so vedno predstavljali osnovne sestavine za optične naprave, vključno z laserji, mikroskopi in atomskimi urami, ki so omogočile številne preboje na različnih znanstvenih področjih,« pojasnjuje Christoph Heyl iz DESY, ki je vodila raziskavo.

Vendar pa zahteve po višji moči, krajših impulzih in strožjem nadzoru nad lastnostmi laserske svetlobe potiskajo celo najnaprednejše optične elemente čez njihove meje. Danes morajo raziskovalci prilagoditi svoje metode, da se izognejo poškodbam optičnih komponent zaradi svetlobe ter ublažijo neželeno absorpcijo in nelinearne učinke, ki poslabšajo kakovost laserske svetlobe.

Manipulacija z gostoto

Zdaj so Heyl in njegovi sodelavci sprejeli nov pristop k nadzoru svetlobe, ki obljublja, da se bo izognil nekaterim težavam, povezanim z običajnimi optičnimi komponentami. Njihova tehnika vključuje manipulacijo gostote zraka na lestvicah dolžine, ki je enaka valovni dolžini svetlobe.

»Uporabljamo zelo intenzivna ultrazvočna polja za nadzor in preusmerjanje laserskih žarkov pod majhnim kotom neposredno v okoliškem zraku, pri čemer uporabljamo načelo akustooptične modulacije,« pojasnjuje Heyl.

V svojem poskusu so raziskovalci namestili ultrazvočni pretvornik nasproti planarnega zvočnega reflektorja. To vzpostavi visokotlačni stoječi ultrazvočni val v zračni reži – val, ki ima ostre, periodične spremembe gostote zraka. Indeks loma zraka narašča z gostoto, zato stoječe valovanje deluje kot Braggova rešetka, ki lahko z optično difrakcijo odbije svetlobo. Medtem ko se ta tehnika uporablja za ustvarjanje rešetk v trdnih medijih, kot je steklo, ekipa pravi, da je to prvič narejeno z uporabo zraka.

Da bi uporabili svojo rešetko, so Heyl in sodelavci postavili par nasproti obrnjenih ogledal pravokotno na stoječe ultrazvočne valove. Svetlobni žarek vstopi v napravo in se večkrat odbije naprej in nazaj, preden zapusti napravo. To poveča razdaljo, ki jo svetloba potuje skozi Braggovo mrežo, kar poveča učinek uklona.

Ravnanje z visoko močjo

Ekipa je ugotovila, da se je približno 50 % vpadne svetlobe odklonilo, preostanek pa je bil prepuščen – pri čemer je bila kakovost vpadne laserske svetlobe ohranjena. Ekipa pravi, da numerične simulacije kažejo, da bi se lahko ta odstotek v prihodnosti znatno povečal. Še več, rešetka lahko prenese gigavatne laserske impulze, ki so približno tisočkrat intenzivnejši od zgornje meje naprav, ki uporabljajo akustično-optično modulacijo trdnih materialov.

»Naš pristop zagotavlja obvod omejitev, ki jih navadno nalagajo trdni mediji: vključno z nižjo razpršenostjo, višjimi koničnimi močmi in širšimi razponi valovnih dolžin,« pojasnjuje član ekipe Yannick Schrödel, ki je doktorski študent na DESY.

Na podlagi teh rezultatov ekipa napoveduje raznoliko paleto prihodnjih aplikacij za njihovo akustično optično Braggovo rešetko. "Naša metoda zagotavlja neposredne poti do novih optičnih amplitudnih in faznih modulatorjev, stikal, cepilnikov žarkov in mnogih drugih elementov, neposredno implementiranih z uporabo rešetk na osnovi plina," pravi Schrödel.

Ekipa se veseli tudi razvoja drugih novih tehnologij za manipulacijo svetlobe. "Poleg tega bi lahko realizirali naprednejše optične elemente," nadaljuje Schrödel. "To bi lahko omogočilo vznemirljive nove smeri za ultrahitro optiko in druga področja, ki se soočajo z omejitvami v optični moči in spektralni pokritosti."

Akustično-optična Braggova rešetka je opisana v Narava fotonika.

Časovni žig:

Več od Svet fizike