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).
https://s3.eu-central-1.amazonaws.com/media.my.ua/feed/434/2689059523c8e99c77aa4ef34cebae7f.png
Схема експерименту
Інфрачервоний лазерний промінь (показаний червоним) багаторазово відбивається у системі дзеркал М1 і М2 і проходить через область акустичної хвилі (показана фіолетовим). Синім циліндром позначений відбивач, який використовувався при дифракції на хвилях стоячих Yannick Schrödel et al. / Nature Photonics, 2023
Така комбінація параметрів дозволила використовувати акустичне поле як дифракційну решітку в режимі дифракції Брегга: налітаючий пучок частково відхилявся на подвоєний кут Брегга (відповідає першому порядку дифракції), і основна частка інтенсивності вихідного променя розподілялася між пучками нульового і першого та дзеркал. Автори регулювали рівень звукового тиску в діапазоні 130-150 децибел і вивчали дифракцію в двох режимах: на стоячій акустичній хвилі (з використанням відбивача навпроти ультразвукового перетворювача) і на хвилі, що біжить (без відбивача).
В результаті фізикам вдалося досягти відношення інтенсивності відхиленого пучка до інтенсивності вихідного понад 50 відсотків (при дифракції на стоячій хвилі та рівні звукового тиску близько 150 децибел). Крім того, вдалося спостерігати дифракцію на пікової потужності лазера близько 20 гігават, що приблизно відповідає верхній межі потужності для повітря і на два-три порядки перевищує типові обмеження по потужності для твердотільних систем.
Автори відзначають, що область застосування їх підходу не обмежується тільки відхиленням оптичних променів: той же підхід потенційно застосовується для створення інших оптичних елементів, таких як лінзи або хвилеводи.