用聲波控制光：在空氣中偏折激光束

聲光調(diào)制器就是一種利用聲波來(lái)調(diào)節(jié)固體材料中傳播的光的強(qiáng)度、頻率和方向的光學(xué)元件。當(dāng)一束光和一束聲波在固體材料中相遇時(shí)，它們會(huì)發(fā)生相互作用，產(chǎn)生一些新的光波，這些光波的頻率和方向與原來(lái)的光波不同，而且與聲波的頻率和方向有關(guān)。通過(guò)改變聲波的參數(shù)，我們就可以改變新產(chǎn)生的光波的參數(shù)。

激光是一種非常強(qiáng)大的光源，它可以產(chǎn)生非常高的功率和亮度。激光有很多應(yīng)用，比如引力波天文學(xué)、量子計(jì)量學(xué)、超快科學(xué)、半導(dǎo)體制造等等。但是，要想有效地控制激光的參數(shù)，比如強(qiáng)度、形狀、方向和相位，就需要用到一些特殊的光學(xué)元件，比如透鏡、鏡子、波導(dǎo)等等。

這些光學(xué)元件通常是由固體材料制成的，比如玻璃、晶體等等。這些材料有一個(gè)重要的特性，就是它們的折射率，也就是光在其中傳播時(shí)相對(duì)于真空的速度比例。折射率決定了光在不同介質(zhì)之間的反射和折射角度，以及在同一介質(zhì)中的相位變化。通過(guò)改變折射率，我們就可以改變光的傳播特性。

但是，固體材料也有一些限制，比如它們對(duì)光的吸收、損傷和非線性效應(yīng)。當(dāng)我們使用非常高功率或者非常短波長(zhǎng)的激光時(shí)，這些限制就會(huì)變得很明顯。比如，如果我們想用激光產(chǎn)生超快脈沖或者高頻率信號(hào)，我們就需要用到飛秒或者阿秒級(jí)別的激光，但是這些激光在固體材料中會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的非線性效應(yīng)，導(dǎo)致波形失真和能量損失。

那么，有沒(méi)有一種方法可以避開(kāi)這些限制呢？答案是有的。我們可以用氣體來(lái)代替固體作為光學(xué)介質(zhì)。氣體有一個(gè)很大的優(yōu)勢(shì)，就是它們對(duì)光的吸收和損傷幾乎可以忽略不計(jì)，而且它們的非線性效應(yīng)也很小。但是，氣體也有一個(gè)很大的缺點(diǎn)，就是它們的折射率非常接近于1，也就是說(shuō)它們對(duì)光幾乎沒(méi)有影響。那么，怎么樣才能讓氣體對(duì)光產(chǎn)生影響呢？答案是用聲波。

聲波是一種機(jī)械波，在氣體中傳播時(shí)會(huì)產(chǎn)生密度和壓力的變化。這些變化會(huì)導(dǎo)致氣體的折射率也發(fā)生變化。如果我們能夠用聲波來(lái)調(diào)節(jié)氣體的折射率分布，我們就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光的控制，產(chǎn)生所謂的聲光效應(yīng)。

聲光效應(yīng)在固體材料中已經(jīng)被廣泛研究和應(yīng)用了。比如，聲光調(diào)制器就是一種利用聲波來(lái)調(diào)節(jié)固體材料中傳播的光的強(qiáng)度、頻率和方向的光學(xué)元件。聲光調(diào)制器的原理是，當(dāng)一束光和一束聲波在固體材料中相遇時(shí)，它們會(huì)發(fā)生相互作用，產(chǎn)生一些新的光波，這些光波的頻率和方向與原來(lái)的光波不同，而且與聲波的頻率和方向有關(guān)。通過(guò)改變聲波的參數(shù)，我們就可以改變新產(chǎn)生的光波的參數(shù)。聲光調(diào)制器有很多應(yīng)用，比如激光掃描、激光頻率轉(zhuǎn)換、激光鎖相等等。

但是，聲光調(diào)制器也有一些限制，比如它們對(duì)激光的功率和波長(zhǎng)有一定的要求。如果我們使用太高功率或者太短波長(zhǎng)的激光，聲光調(diào)制器就會(huì)失效或者損壞。那么，能不能用氣體來(lái)代替固體作為聲光調(diào)制器呢？答案是可以的，這就是最近一篇論文所研究的內(nèi)容。

這篇論文的作者提出了一種用氣體來(lái)實(shí)現(xiàn)聲光調(diào)制器的方法。他們用一個(gè)強(qiáng)力的揚(yáng)聲器來(lái)產(chǎn)生高強(qiáng)度的超聲波，在空氣中形成一個(gè)周期性的折射率分布。然后，他們用一個(gè)高功率的飛秒激光來(lái)照射這個(gè)超聲波場(chǎng)，在空氣中實(shí)現(xiàn)了對(duì)激光脈沖的偏轉(zhuǎn)。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)激光功率達(dá)到20 GW時(shí)，他們可以達(dá)到超過(guò)50%的偏轉(zhuǎn)效率，而且保持了很好的光束質(zhì)量。這個(gè)功率比以前使用固體材料的聲光調(diào)制器高了大約三個(gè)數(shù)量級(jí)。

這個(gè)方法不僅僅可以用來(lái)偏轉(zhuǎn)激光脈沖，還可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)其他的功能，比如聚焦、分束、成像、相位整形等等。只要我們能夠用聲波來(lái)控制氣體中的折射率分布，我們就可以實(shí)現(xiàn)各種各樣的氣體光學(xué)元件，而且這些元件都不會(huì)受到激光功率和波長(zhǎng)的限制，也不會(huì)受到損傷和非線性效應(yīng)的影響。這就為高功率和短波長(zhǎng)激光技術(shù)提供了一個(gè)新的可能性。