Die Laserarchitektur kann komplexe Strukturen erzeugen, um Materie zu untersuchen, zu kontrollieren und zu kontrollieren.

Laser haben eine einzigartige Fähigkeit, Materie mit einer unglaublichen Vielfalt von Methoden präzise anzutreiben, zu manipulieren, zu steuern und zu untersuchen. Während sie oft hinter den Kulissen arbeiten, sind Laser das Rückgrat revolutionärer Wissenschaft und Technologie – einschließlich Forschungsfortschritte, die die Grundlage für den Nobelpreis für Physik 2018 waren.

Eine neue Laserarchitektur namens Universal-Lichtmodulator, ein faszinierendes neues Werkzeug zur Untersuchung und Kontrolle von Materie, wird auf dem Laser-Kongress der Optical Society (OSA) vom 4. bis 8. November in Boston vorgestellt. Es wurde von dem leitenden Prüfarzt Sergio Carbajo und der wissenschaftlichen Mitarbeiterin Wei Liu entwickelt, beide mit dem SLAC National Accelerator Laboratory und der Stanford University.

Kohärentes Licht, wie es beispielsweise von einem Laser stammt, kann eine viel komplexere und ausgefeiltere Struktur entweder in der elektromagnetischen oder in der Intensitätsverteilung darstellen. „Einige Beispiele sind zylindrische Vektorstrahlen oder funkige 3D-Intensitätsverteilungen, die beispielsweise einem Waffelkegel oder einem optischen Sieb ähneln können“, sagt Carbajo.

Aufgrund dieser Eigenschaften ist der universelle Lichtmodulator bereit, neue wissenschaftliche und technologische Grenzen zu erschließen. Der Haken daran ist, dass die Nutzung der Kapazität für das Engineering oder die Programmierung komplexer Leichtstrukturen schwierig ist, da es nicht viele zuverlässige Optionen gibt, um diese Struktur zu erzeugen, sagte Carbajo.

„Derzeit geschieht dies in erster Linie durch externe Geräte wie räumliche Lichtmodulatoren, die häufig in Projektoren verwendet werden, aber sie alle haben eine durchschnittliche Leistung und Leistungsbegrenzung“, sagt Carbajo. „Diese Geräte können leicht brennen und können keine Anwendungen erreichen, die eine hohe Leistung erfordern.“

Die Arbeit der Carbajo-Gruppe umgeht diese Leistungsbegrenzung und behält gleichzeitig die Fähigkeit, jede beliebige Lichtstruktur zu erzeugen. Sie haben die Fähigkeit, Strahlen zu programmieren, in die Laserarchitektur selbst integriert. Dies verbindet das Beste aus zwei Welten: Leistungsskalierung und Lichtstruktur.

„Unsere programmierbaren Lichtimpulse bestehen aus Verbundstrahlern“, erklärte Carbajo. „Stellen Sie sich einen Laserstrahl vor, der aus vielen wabenartigen kleineren Strahlbündeln besteht, die jeweils unabhängig voneinander gesteuert werden, obwohl sie alle kohärent zueinander sind. Sie können miteinander „kommunizieren“ und den Zustand des anderen und ihre jeweilige Beziehung „kennen“. Wenn alle Beamlets synchron sind, können sie gemeinsam jede beliebige Struktur erzeugen. Der Nachteil dabei ist, dass diese Struktur durch die Anzahl der Strahlen diskret gemacht wird.“

Diese programmierbare Architektur ist innerhalb des ultrakurzen (Femtosekunden- und kürzeren) Regimes von besonderer Bedeutung, da sie neue Denkweisen über Licht mit komplexen Strukturen inspirieren kann, die wissenschaftliche und technologische Bestrebungen vorantreiben können. Mögliche neue Anwendungen sind Glasfasertelekommunikation, Mikro-Nanomaschinen und additive Fertigung, optisches Fangen und ultraschnelle Protonenforschung. „Es kann ein Wendepunkt in so ziemlich allen Anwendungen der Photonik sein, die eine hohe Leistung erfordern“, sagte Carbajo.

Die Forscher des SLAC National Accelerator Laboratory sind daran interessiert, diese Lichtquellen zu verwenden, um Elektronenstrahlen, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten, zu schneiden und zu manipulieren. „Auf diese Weise können wir neuartige Elektronen- und Röntgenquellen erzeugen, so dass wir die Struktur aus dem Licht auf das Elektron oder die Röntgenstrahlen aufprägen können“, sagte er. „Diese können dann selbst zu fortgeschrittenen wissenschaftlichen Instrumenten werden, weil die Elektronenstrahlen und Röntgenstrahlen die Struktur von optischen Photonen übernehmen würden.“

Als nächstes möchte die Gruppe mehrere parallele Bemühungen untersuchen. „Der erste offensichtliche Weg ist das Hinzufügen weiterer Beamlets, was für eine Teilmenge möglicher Anwendungen erforderlich ist“, sagte Carbajo. „Viele brauchen jedoch nicht mehr als ein paar Beamlets. In unserem Fall haben wir 7+1-7 in einer Wabe, plus einen Mastertreiber. Die zweite Verzweigung ist die Aufrüstung unseres Systems auf viel höhere Leistungen, was auch eine dritte, wegweisendere Umwandlung der fundamentalen Femtosekunden-Strahlkegel in andere Wellenlängen durch nichtlineare Umwandlungsstufen ermöglichen wird, die jetzt strukturiertes Licht mit mehrfarbiger oder hyperspektraler Zusammensetzung und natürlicher Selbstsynchronität erzeugen würden.“

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