Лазерный пучок в воздухе отклонили ультразвуком

Физики разработали и экспериментально протестировали акустооптическую систему, которая позволяет отклонять лазерный пучок за счет дифракции на оптической решетке ультразвуковых волн в воздухе. Как сообщается в Nature Photonics, доля интенсивности в отклоненном пучке достигла более чем 50 процентов от исходной, и отклонить луч удалось при пиковой мощности лазера на два-три порядка выше характерного предела для твердотельных систем.

Контролировать параметры оптических волн, такие как интенсивность, фаза и направление распространения — важная задача во многих отраслях физики, от гравитационно-волновой астрономии до производства полупроводников. Одна из идей в основе такого контроля — управление показателем преломления среды. Сравнительно большой (около 0,5) разницы в показателях преломления легко достичь на границах между газообразной и прозрачной твердой средой, поэтому большинство оптических систем (линзы, зеркала, волноводы) изготавливают на базе твердых тел.

Твердотельные системы, однако, имеют ограничения: из-за поглощения, нелинейных оптических эффектов или разрушения твердой среды излучением они оказываются непригодны для некоторых длин волн и при большой интенсивности излучения. В то же время газообразные среды остаются прозрачными в более широком диапазоне спектра, позволяют работать с мощностями на три порядка выше и практически не подвержены разрушениям. Несмотря на сравнительно малые вариации показателя преломления, принципиально газы могут заменять твердотельные системы и расширять диапазон доступных длин волн и мощностей. Хотя об экспериментальной демонстрации таких газовых систем уже сообщалось в литературе, контролируемой модуляции с сохранением высокой доли интенсивности исходной волны достичь до недавнего времени не удавалось.

Физики из Германии под руководством Кристофа Хейля (Christoph Heyl) из исследовательского центра DESY изготовили экспериментальную установку, которая позволяет отклонять лазерный луч в воздухе при помощи ультразвуковых волн.

Для этого они использовали ультракороткие лазерные импульсы (от 150 до 760 фемтосекунд) с длиной волны 1030 нанометров и пиковой мощностью вплоть до 20 гигаватт (средней от десятков милливатт до нескольких киловатт) и ультразвуковой преобразователь с длиной волны 700 микрометров. Исследователи направляли лазерный луч под углом Брэгга (в условиях опыта — около 0,75 миллирадиана, что существенно больше угла расходимости самого пучка) к фронту звуковых волн. С помощью системы зеркал ученые семикратно пропускали луч через акустическое поле диаметром семь сантиметров (чтобы увеличить эффективную длину взаимодействия).

Такая комбинация параметров позволила использовать акустическое поле как дифракционную решетку в режиме дифракции Брэгга: налетающий пучок частично отклонялся на удвоенный угол Брэгга (соответствует первому порядку дифракции), и основная доля интенсивности исходного луча распределялась между пучками нулевого и первого порядка дифракции, которые регистрировали при помощи камер и зеркал. Авторы регулировали уровень звукового давления в диапазоне 130-150 децибел и изучали дифракцию в двух режимах: на стоячей акустической волне (с использованием отражателя напротив ультразвукового преобразователя) и на бегущей волне (без отражателя).

В результате физикам удалось достичь отношения интенсивности отклоненного пучка к интенсивности исходного свыше 50 процентов (при дифракции на стоячей волне и уровне звукового давления около 150 децибел). Кроме того, удалось наблюдать дифракцию на пиковой мощности лазера около 20 гигаватт, что приблизительно соответствует верхнему пределу мощности для воздуха и на два-три порядка превосходит типичные ограничения по мощности для твердотельных систем.

Авторы отмечают, что область применимости их подхода не ограничивается только отклонением оптических лучей: тот же подход потенциально применим для создания других оптических элементов, таких как линзы или волноводы.

Ранее мы писали о том, как физики научились направлять молнии при помощи мощного лазера и о том, как лазерный луч притянул макроскопический объект в условиях низкого давления.