Laserarkitektur kan skabe komplekse strukturer til at sondere, kontrollere sagen

Lasere har en unik evne til præcist at køre, manipulere, styring, og sondere stof ved hjælp af en utrolig række forskellige metoder. Mens de ofte opererer bag kulisserne, lasere er rygraden i revolutionerende videnskab og teknologi - inklusive forskningsfremskridt, der var grundlaget for 2018 Nobelprisen i fysik.

En ny laserarkitektur kaldet den universelle lysmodulator, et spændende nyt værktøj til at undersøge og kontrollere stof, vil blive præsenteret under Optical Society's (OSA) Laser Congress, 4-8 nov., i Boston. Det blev udviklet af hovedforsker Sergio Carbajo og forskningsassistent Wei Liu, både med SLAC National Accelerator Laboratory og Stanford University.

Sammenhængende lys, som det fra en laser, kan legemliggøre en meget mere kompleks og sofistikeret struktur i enten den elektromagnetiske eller intensitetsfordeling. "Et par eksempler er cylindriske vektorstråler, eller funky 3D-intensitetsfordelinger, der kan ligne, for eksempel, en vaffelkegle eller en optisk si, " sagde Carbajo.

På grund af disse egenskaber, den universelle lysmodulator er klar til at åbne nye videnskabelige og teknologiske grænser. Fangsten er, at det er vanskeligt at udnytte kapaciteten til at konstruere eller programmere komplekse lysstrukturer, fordi der ikke er mange pålidelige muligheder for at generere den struktur, sagde Carbajo.

"I øjeblikket, dette udføres primært af eksterne enheder såsom rumlige lysmodulatorer, der populært bruges i projektorer, men de har alle gennemsnitlige effekt- og spidseffektbegrænsninger, " sagde Carbajo. "Disse enheder kan let brænde og kan ikke nå ud til applikationer, der kræver betydelige strømniveauer."

Carbajo-gruppens arbejde omgår denne magtbegrænsning, mens den stadig bevarer evnen til at generere enhver vilkårlig lysstruktur. De inkorporerede kapaciteten til at programmere stråler i selve laserarkitekturen. Dette bygger bro mellem det bedste fra to verdener:effektskalering og lysstruktur.

"Vores programmerbare lysimpulser er lavet af kompositstråler, Carbajo forklarede. "Forestil dig en laserstråle lavet af mange honeycomb-lignende mindre beamlets, som hver er uafhængigt kontrolleret, selvom de alle er sammenhængende i forhold til hinanden. De kan 'kommunikere' med hinanden og 'kende' hinandens tilstand og deres respektive forhold. Når alle beamlets er synkroniserede, de kan tilsammen generere enhver struktur. Forbeholdet her er, at denne struktur er gjort diskret af antallet af beamlets."

Denne programmerbare arkitektur er særlig vigtig inden for ultrakorte (femtosekunder og kortere) regimer, fordi den kan inspirere til nye måder at tænke lys på med komplekse strukturer, der er i stand til at drive videnskabelige og teknologiske bestræbelser. Potentielle nye applikationer omfatter optisk fiber telekommunikation, mikro-nano-bearbejdning og additiv fremstilling, optisk fangst, og ultrahurtige protonvidenskaber. "Det kan være en game changer i stort set alle applikationer af fotonik, der kræver høj effekt, " sagde Carbajo.

Forskere fra SLAC National Accelerator Laboratory er interesserede i at bruge disse lyskilder til at skræddersy og manipulere elektronstråler, der udbreder sig med lysets hastighed. "Ved at gøre det, vi kan generere nye typer elektron- og røntgenkilder, så vi kan præge strukturen fra lyset på elektronen eller røntgenstrålerne," sagde han. "Disse kan så selv blive avancerede videnskabelige instrumenter, fordi elektronen stråler og røntgenstråler. ville arve strukturen fra optiske fotoner."

Næste, gruppen ønsker at udforske flere parallelle indsatser. "Den første oplagte rute er at tilføje flere beamlets, som kræves af en undergruppe af potentielle applikationer, " sagde Carbajo. "Mange, imidlertid, behøver ikke mere end blot et par beamlets. I vores tilfælde, vi har 7+1—syv i en honeycomb, plus en masterchauffør. Den anden konsekvens er at opgradere vores system til meget højere magter, som også vil muliggøre en tredje rute - bedre konvertering af de fundamentale femtosekundstråler til andre bølgelængder ved hjælp af ikke-lineære konverteringstrin, som ville skabe struktureret lys nu med flerfarvet eller hyperspektral sammensætning og naturlig selvsynkronicitet."