Lasrar har en unik förmåga att exakt köra, manipulera, kontrollera, och undersök materia med en otrolig mängd olika metoder. Även om de ofta verkar bakom kulisserna, lasrar är ryggraden i revolutionerande vetenskap och teknologi – inklusive forskningsframsteg som låg till grund för 2018 års Nobelpris i fysik.
En ny laserarkitektur som kallas den universella ljusmodulatorn, ett spännande nytt verktyg för att undersöka och kontrollera materia, kommer att presenteras under Optical Societys (OSA) Laser Congress, 4-8 nov., i Boston. Den har utvecklats av chefsutredaren Sergio Carbajo och forskarassistenten Wei Liu, både med SLAC National Accelerator Laboratory och Stanford University.
Sammanhängande ljus, som den från en laser, kan förkroppsliga en mycket mer komplex och sofistikerad struktur i antingen den elektromagnetiska eller intensitetsfördelningen. "Några exempel är cylindriska vektorstrålar, eller läckra 3D-intensitetsfördelningar som kan likna, till exempel, en våffelkon eller en optisk sil, sa Carbajo.
På grund av dessa egenskaper, den universella ljusmodulatorn är redo att öppna upp nya vetenskapliga och tekniska gränser. Haken är att det är svårt att utnyttja kapaciteten för att konstruera eller programmera komplexa ljusstrukturer eftersom det inte finns många tillförlitliga alternativ för att generera den strukturen, sa Carbajo.
"För närvarande, detta görs främst av externa enheter såsom rumsliga ljusmodulatorer som ofta används i projektorer, men de har alla medeleffekt- och toppeffektbegränsningar, ", sa Carbajo. "Dessa enheter kan lätt brinna och kan inte nå ut till applikationer som kräver betydande effektnivåer."
Carbajo-gruppens arbete kringgår denna effektbegränsning samtidigt som förmågan att generera godtycklig ljusstruktur bibehålls. De inkorporerade kapaciteten att programmera strålar i själva laserarkitekturen. Detta överbryggar det bästa av två världar:kraftskalning och ljusstruktur.
"Våra programmerbara ljuspulser är gjorda av kompositstrålar, " Carbajo förklarade. "Föreställ dig en laserstråle gjord av många bikakeliknande mindre strålar, som var och en är oberoende kontrollerade, även om de alla är sammanhängande med avseende på varandra. De kan 'kommunicera' med varandra och 'känna' till varandras tillstånd och deras respektive relation. När alla strålar är synkroniserade, de kan tillsammans generera vilken struktur som helst. Förbehållet här är att denna struktur görs diskret av antalet strålar."
Denna programmerbara arkitektur är särskilt betydelsefull inom den ultrakorta (femtosekund och kortare) regimen eftersom den kan inspirera till nya sätt att tänka om ljus med komplexa strukturer som kan driva vetenskapliga och tekniska ansträngningar. Potentiella nya applikationer inkluderar optisk fibertelekom, mikro-nano-bearbetning och additiv tillverkning, optisk fångst, och ultrasnabb protonvetenskap. "Det kan vara en game changer i i stort sett alla tillämpningar av fotonik som kräver hög effekt, sa Carbajo.
Forskare från SLAC National Accelerator Laboratory är intresserade av att använda dessa ljuskällor för att skräddarsy och manipulera elektronstrålar som fortplantar sig med ljusets hastighet. "Genom att göra så, vi kan generera nya typer av elektron- och röntgenkällor så att vi kan trycka in strukturen från ljuset på elektronen eller röntgenstrålar", sa han. "Dessa kan sedan själva bli avancerade vetenskapliga instrument eftersom elektronstrålar och röntgenstrålar skulle ärva strukturen från optiska fotoner."
Nästa, gruppen vill utforska flera parallella insatser. "Den första uppenbara vägen är att lägga till fler strålar, som krävs av en undergrupp av potentiella applikationer, " sade Carbajo. "Många, dock, behöver inte mer än bara några beamlets. I vårat fall, vi har 7+1—sju i en honungskaka, plus en mästerförare. Den andra förgreningen är att uppgradera vårt system till mycket högre krafter, vilket också kommer att möjliggöra en tredje väg – bättre omvandling av de fundamentala femtosekundstrålarna till andra våglängder med hjälp av icke-linjära omvandlingssteg, som skulle skapa strukturerat ljus nu med flerfärgs eller hyperspektral komposition och naturlig självsynkronicitet."
