Лазерний пучок у повітрі відхилили ультразвуком

Фізики розробили та експериментально протестували акустооптичну систему, яка дозволяє відхиляти лазерний пучок за рахунок дифракції на оптичній решітці ультразвукових хвиль у повітрі. Як повідомляється в  Nature Photonics, частка інтенсивності у відхиленому пучку досягла більш ніж 50 відсотків від вихідної, і відхилити промінь вдалося при пікової потужності лазера на два-три порядки вище за характерну межу для твердотільних систем.

Контролювати параметри оптичних хвиль, такі як інтенсивність, фаза та напрямок поширення – важливе завдання у багатьох галузях фізики, від гравітаційно-хвильової астрономії до виробництва напівпровідників. Одна з ідей в основі такого контролю — керування показником заломлення середовища. Порівняно великий (близько 0,5) різниці у показниках заломлення легко досягти на кордонах між газоподібним і прозорим твердим середовищем, тому більшість оптичних систем (лінзи, дзеркала, хвилеводи) виготовляють на базі твердих тіл.

Твердотільні системи, однак, мають обмеження: через поглинання, нелінійні оптичні ефекти або руйнування твердого середовища випромінюванням вони виявляються непридатними для деяких довжин хвиль і при великій інтенсивності випромінювання. У той же час газоподібні середовища залишаються прозорими в ширшому діапазоні спектру, дозволяють працювати з потужностями на три порядки вище і практично не схильні до руйнувань. Незважаючи на порівняно малі варіації показника заломлення, принципово гази можуть замінювати твердотільні системи та розширювати діапазон доступних довжин хвиль та потужностей. Хоча про експериментальну демонстрацію таких газових систем вже повідомлялося в літературі, контрольованої модуляції зі збереженням високої частки інтенсивності вихідної хвилі досягти донедавна не вдавалося.

Фізики з Німеччини під керівництвом Крістофа Хейля (Christoph Heyl) з дослідницького центру DESY виготовили експериментальну установку, яка дозволяє відхиляти лазерний промінь у повітрі за допомогою ультразвукових хвиль.

Для цього вони використовували ультракороткі лазерні імпульси (від 150 до 760 фемтосекунд) з довжиною хвилі 1030 нанометрів і піковою потужністю аж до 20 гігават (середньої від десятків міліват до декількох кіловат) і ультразвуковий перетворювач з довжиною хвилі 700 мікро. Дослідники направляли лазерний промінь під кутом Брегга (за умов досвіду — близько 0,75 мілірадіана, що значно більше кута розбіжності самого пучка) до фронту звукових хвиль. За допомогою системи дзеркал вчені семиразово пропускали промінь через акустичне поле діаметром сім сантиметрів (щоб збільшити ефективну довжину взаємодії).