德国电子同步辐射加速器DESY、德国耶拿亥姆霍兹研究所等一个跨学科研究小组报道了由空气制成的隐形光栅不仅不会受到激光的破坏，而且还能保持光束的原有质量。相关研究已“Acousto-optic modulation of gigawatt-scale laser pulses in ambient air”为题发表在《Nature Photonics》上。

从引力波天文学、量子计量学、超快科学到半导体制造，控制相干光的强度、形状、方向和相位在许多领域都至关重要。然而，现代光子学可能会涉及一些参数区，在这些参数区中，由于固体介质的吸收、光诱导损伤或光学非线性，波长或高光功率限制了控制。在此，研究人员建议使用高强度超声波定制的气态介质来规避这些限制。

来源：DESY 科学传播实验室

研究人员利用超声波在环境空气中有效地偏转超短激光脉冲，而无需使用透射固体介质，从而展示了这种方法的实现。在 20 GW 的光峰值功率下，研究人员的偏转效率超过了 50%，同时保持了极佳的光束质量，超过了以往基于固体的声光调制的极限约三个数量级。研究人员的方法并不局限于激光脉冲偏转；由声波控制的气相光子方案有可能用于实现透镜或波导等新型光学元件，这些元件能有效抵御损坏，并能在新的光谱区域工作。

超声波辅助激光束在空气中的角度偏转示意图。

这项创新技术利用声波对激光束通过区域的空气进行调制。研究人员借助声学密度波产生了一个隐形光栅。

在特殊扬声器的帮助下，研究人员在空气中形成了密度高和密度低的区域，形成了条纹光栅。由于空气密度的不同会使地球大气层中的光线发生弯曲，因此这种密度图案就起到了光栅的作用，改变了激光光束的方向。

实验装置和偏转效率与声功率和时间的关系。

在首次实验室测试中，强红外激光脉冲以这种方式重新定向的效率为50%。根据数值模型，未来应该可以实现更高的效率。

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在这个动画中，一束激光穿过一个扬声器-反射器阵列，该阵列产生了一个空气光栅。激光束与光栅相互作用，在不接触的情况下发生偏转。来源：DESY 科学传播实验室

研究小组认为这项技术在高性能光学领域具有巨大潜力。在实验中，研究人员使用了峰值功率为 20 千兆瓦的红外激光脉冲，相当于约 20 亿个 LED 灯泡的功率。这种甚至更高功率等级的激光可用于材料加工、核聚变研究或最新的粒子加速器等。

高峰值功率下超短激光脉冲的 AO 衍射。

科学家们强调，在气体中对激光进行声学控制的原理并不局限于光学光栅的产生。它很可能还可以应用于透镜和波导等其他光学元件。

在环境空气中直接将光偏转技术已经得到了证实，它开辟了前景广阔的应用领域，尤其是作为高功率激光器的快速开关。现代光学几乎完全基于光与固体物质的相互作用。研究人员的方法开辟了一个全新的研究方向。

相关论文链接：

Yannick Schrödel et al, Acousto-optic modulation of gigawatt-scale laser pulses in ambient air, Nature Photonics (2023). DOI: 10.1038/s41566-023-01304-y

https://phys.org/news/2023-10-air-deflect-lasers.html