激光光束在扬声器-反射器阵列之间穿过，从而产生空气光栅。激光束与该光栅相互作用，在不接触的情况下发生偏转。来源:DESY科学传播实验室

创新有限公司概念在声波的帮助下改变激光的方向。

使用一种新颖的方法，激光光束可以只使用空气偏转。这个跨学科研究小组在《自然光子学》杂志上报告说，一种完全由空气制成的不可见光栅不仅不受激光的伤害，而且还保持了光束的原始质量。研究人员已经为他们的方法申请了专利。

技术与原理

这项创新技术利用声波来调节激光束经过的区域内的空气。“我们已经在声密度波的帮助下产生了一个光学光栅，”第一作者Yannick Schr?del解释说，他是耶拿DESY和亥姆霍兹研究所的博士生。

在特殊扬声器的帮助下，研究人员在空气中塑造了密集和不密集区域的图案，形成了条纹光栅。在某种程度上，就像不同的空气密度如何使地球大气中的光弯曲一样，密度模式扮演了光学光栅的角色，改变了激光光束的方向。

“然而，与地球大气中的偏转相比，通过衍射光栅偏转光线可以更精确地控制激光，”Schr?del说。光栅的特性受声波的频率和强度的影响，换句话说，就是声波的体积。

化验结果及潜力

在最初的实验室测试中，强烈的红外激光脉冲可以以这种方式重定向，效率为50%。根据数值模型，未来的效率应该会显著提高。在第一个测试中，科学家们必须把他们特制的扬声器调到最大。

“我们正在以大约140分贝的声音水平移动，这相当于几米外的喷气发动机，”来自DESY和耶拿亥姆霍兹研究所的科学家Christoph Heyl解释说，他是该研究项目的负责人。“幸运的是，我们在超声波范围内，耳朵听不到。”

该团队看到了高性能光学技术的巨大潜力。在他们的实验中，研究人员使用了峰值功率为20吉瓦的红外激光脉冲，相当于大约20亿个LED灯泡的功率。例如，这种甚至更高功率级别的激光器被用于材料加工、聚变研究或最新的粒子加速器。

Heyl解释说:“在这个功率范围内，反射镜、透镜和棱镜的材料特性极大地限制了它们的使用，而且这些光学元件在实践中很容易被强激光束损坏。”“此外，激光束的质量也会受到影响。相比之下，我们已经设法在不接触的情况下以保持质量的方式偏转激光束。”

进一步的应用和见解

科学家们强调，气体中激光的声学控制原理并不局限于光光栅的产生。它也可能被转移到其他光学元件，如透镜和波导。

“我们一直在考虑这种方法很长一段时间，并很快意识到极端的声音水平是必要的。起初，这些在技术上似乎不可行，”海尔解释说。“然而，我们没有放弃，最终在达姆施塔特工业大学的研究人员和Inoson公司的支持下找到了解决方案。首先，我们用普通空气试验了我们的技术。例如，接下来，我们还将使用其他气体来挖掘其他波长、其他光学性质和几何形状。”

光直接偏转到周围空气中，这已经被证明，开辟了有前途的应用，特别是作为高功率激光器的快速开关。“光的非接触式控制的潜力及其扩展到其他应用目前只能想象，”Heyl解释说。现代光学几乎完全建立在光与固体物质相互作用的基础上。我们的方法开辟了一个全新的方向。”

参考文献:“环境空气中千兆瓦级激光脉冲的声光调制”，作者:Yannick Schr?del, Claas Hartmann，郑家安，Tino Lang, Max Steudel, Matthias Rutsch, Sarper H. Salman, Martin Kellert, Mikhail Pergament, Thomas Hahn-Jose, Sven Suppelt, Jan Helge D?rsam, Anne Harth, Wim P. Leemans, Franz X. K?rtner, Ingmar Hartl, Mario Kupnik和Christoph M. Heyl, 2023年10月2日，《自然光子学》。DOI: 10.1038 / s41566 - 023 - 01304 - y

来自达姆施塔特工业大学、阿伦应用科学大学、Universit?t汉堡、圣因伯特的Inoson GmbH、耶拿亥姆霍兹研究所和DESY的研究人员参与了这项工作。