На представленной здесь для вас иллюстрации (Yannick Schrödel et al. / Nature Photonics) показана схема дифракции лазерного луча в среде распространения звуковых волн в воздушной среде. В ходе исследования был предложен и экспериментально подтвержден инновационный метод для отклонения луча посредством простой акустооптической системы, использующей дифракцию на специально сформированной ультразвуковой решетке непосредственно в воздухе. Согласно данным журнала Nature Photonics, интенсивность отклоненного пучка составила более 50 процентов от исходной мощности. При этом отклонение было достигнуто при пиковых значениях мощности лазера, превышающих характерный предел для твердотельных систем на два-три порядка. 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).
Схема эксперимента. Инфракрасный лазерный луч (показан красным) многократно отражается в системе зеркал М1 и М2 и проходит через область акустической волны (показана фиолетовым). Синим цилиндром обозначен отражатель, который использовался при дифракции на стоячих волнах. Yannick Schrödel et al. / Nature Photonics
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.
Магия невидимых зеркал: как ультразвук управляет лазерным лучом, и почему Россия лидирует в этой гонке
Представьте себе лазерное шоу, где лучи молниеносно чертят в небе сложные фигуры. В большинстве привычных приборов для этого используются механические зеркала. Они крутятся и наклоняются с помощью крошечных моторчиков. Но у механики есть предел скорости, к тому же она изнашивается. А можно ли отклонить свет вообще без движущихся деталей?
Да, если заменить стеклянное зеркало «эфемерным» — созданным из чистого звука и воздуха.
Как звук управляет светом: физика процесса
В основе технологии лежит акустооптический эффект. Когда ультразвуковая волна высокой частоты (десятки миллионов герц) проходит через прозрачную среду — будь то кристалл, жидкость или обычный воздух — она сжимает и разрежает ее слоями.
В местах сжатия плотность среды выше, а значит, сильнее преломляется свет. Получается своеобразная «слоистая структура». Для лазерного луча эта череда невидимых глазу оптических неоднородностей становится фазовой дифракционной решеткой.
Когда лазер проходит сквозь эту звуковую решетку, он отклоняется (дифрагирует) на определенный угол.
- Если изменить частоту ультразвука, изменится расстояние между слоями, и луч отклонится на другой угол.
- Если изменить мощность звука, можно управлять яркостью лазерного луча или вовсе «выключать» его.
Главный плюс — скорость. Переключение частоты звука занимает микросекунды. Лазерный луч можно перенаправить в пространстве практически мгновенно.
Воздух против кристаллов: в чем сложность?
Традиционно акустооптические приборы (дефлекторы и модуляторы) делают на базе специальных кристаллов, например, парателлурита. Кристалл плотный, в нем легко создать сильную акустическую волну.
Но что если управлять светом прямо в воздухе, не пропуская его через твердые тела?
Управлять лазером в газовой среде невероятно трудно. Воздух «жидкий» и разреженный по сравнению с кристаллом. Чтобы заставить его отклонить мощный лазер, требуются колоссальные объемы ультразвуковой энергии и ювелирная точность фокусировки звуковых волн. Долгое время это считалось практически невозможным для практического применения. Однако именно этот барьер сейчас взламывают физики по всему миру.
А что в России? Век отечественного лидерства
Если в разработке микропроцессоров Россия находится в роли догоняющего, то в акустооптике наша страна — безоговорочный мировой лидер. Исторически сложилось так, что советская, а затем и российская школы акустооптики были сильнейшими в мире.
Основой для этого стали фундаментальные труды советских физиков, а центрами компетенций сегодня остаются Научно-технологический центр уникального приборостроения РАН (НТЦ УП РАН), МГУ им. Ломоносова, НИТУ «МИСИС» и институты в Санкт-Петербурге.
Вот главные направления, в которых Россия задает тренды:
- Космические победы: Российские акустооптические видеоспектрометры летали на борту межпланетных миссий (например, к Марсу и Венере) и работают на орбитальных аппаратах. Они позволяют из космоса мгновенно перестраивать длину волны и анализировать состав атмосферы планет или Земли. Зарубежные аналоги часто уступают российским приборам в надежности и компактности.
- Управление экстремальным излучением: В России созданы уникальные дефлекторы, способные управлять сверхмощными и ультракороткими (фемтосекундными) лазерными импульсами. Обычные кристаллы от таких лазеров просто плавятся или трескаются. Наши ученые нашли способы обходить эти ограничения за счет сложной геометрии акустических полей.
- Эксперименты с воздушной средой: Российские исследовательские группы активно публикуют работы по моделированию и созданию акустических решеток непосредственно в газовых средах. Эти разработки ведутся в интересах систем оптической связи и лазерной локации (ЛИДАР), где нужно передавать информацию сквозь турбулентную атмосферу.
Где это применяется и что нас ждет в будущем?
Технология бесконтактного управления светом с помощью звука — это не просто красивая физика. Это фундамент для технологий завтрашнего дня:
- Медицинская диагностика: Перестраиваемые акустооптические фильтры позволяют создавать гиперспектральные камеры. Они видят опухоли и границы пораженных тканей прямо во время операции, анализируя отраженный свет.
- Беспилотный транспорт и робототехника: Акустооптические дефлекторы (в том числе перспективные воздушные) могут заменить крутящиеся «ведра»-лидары на крышах беспилотников. Наведение лазера звуком сделает сенсоры монолитными, вечными и сверхбыстрыми.
- Военная техника и безопасность: Мгновенное отклонение луча позволяет строить эффективные системы защиты от высокоточного оружия, ослепляя головки самонаведения ракет за доли миллисекунды.
Управление светом с помощью звука в воздухе — это передний край науки. И то, что Россия удерживает здесь флагманские позиции, дает отечественным технологиям мощный козырь в развитии квантовых коммуникаций, робототехники и систем зондирования будущего.
Автор: Николай Мартыненко
Источник: https://nplus1.ru/
