Un faisceau de lumière laser passe entre un réseau de haut-parleurs et de réflecteurs qui crée un réseau d’air. Le faisceau laser interagit avec ce réseau et est dévié sans contact. Crédit : Laboratoire de communication scientifique pour DESY
Un concept innovant change la direction de la lumière laser à l’aide d’ondes sonores.
Grâce à une nouvelle méthode, les faisceaux de lumière laser peuvent être déviés en utilisant uniquement de l’air. Un réseau invisible constitué uniquement d’air est non seulement insensible aux dommages causés par la lumière laser, mais il préserve également la qualité originale du faisceau, rapporte l’équipe de recherche interdisciplinaire dans la revue Photonique naturelle. Les chercheurs ont déposé une demande de brevet pour leur méthode.
Technique et principe
La technique innovante utilise des ondes sonores afin de moduler l’air dans la région où passe le faisceau laser. « Nous avons généré un réseau optique à l’aide d’ondes de densité acoustique », explique le premier auteur Yannick Schrödel, titulaire d’un doctorat. étudiant à DESY et l’Institut Helmholtz de Jena.
À l’aide de haut-parleurs spéciaux, les chercheurs façonnent un motif de zones denses et moins denses dans l’air, formant ainsi un réseau rayé. D’une manière similaire à la façon dont les densités différentielles de l’air courbent la lumière dans l’atmosphère terrestre, le modèle de densité joue le rôle d’un réseau optique qui change la direction du faisceau lumineux laser.
« Cependant, la déviation de la lumière par un réseau de diffraction permet un contrôle beaucoup plus précis de la lumière laser par rapport à la déviation dans l’atmosphère terrestre », explique Schrödel. « Les propriétés du réseau optique sont influencées par la fréquence et l’intensité – en d’autres termes, le volume – des ondes sonores. »
Résultats de laboratoire et potentiel
Lors des premiers tests en laboratoire, une forte impulsion laser infrarouge a pu être redirigée de cette manière avec une efficacité de 50 pour cent. Des rendements nettement plus élevés devraient être possibles à l’avenir, selon les modèles numériques. Pour le premier test, les scientifiques ont dû monter leurs haut-parleurs spéciaux à un niveau élevé.
« Nous nous déplaçons à un niveau sonore d’environ 140 décibels, ce qui correspond à un moteur à réaction à quelques mètres », explique le scientifique Christoph Heyl de DESY et de l’Institut Helmholtz de Jena, qui dirige le projet de recherche. « Heureusement, nous sommes dans la gamme des ultrasons, que nos oreilles ne captent pas. »
L’équipe voit un grand potentiel dans cette technique d’optique haute performance. Dans leurs expériences, les chercheurs ont utilisé une impulsion laser infrarouge d’une puissance maximale de 20 gigawatts, ce qui correspond à la puissance d’environ deux milliards d’ampoules LED. Des lasers de cette classe de puissance et même de classes supérieures sont utilisés, par exemple, pour le traitement des matériaux, dans la recherche sur la fusion ou pour les accélérateurs de particules les plus récents.
« Dans cette plage de puissance, les propriétés des matériaux des miroirs, des lentilles et des prismes limitent considérablement leur utilisation, et dans la pratique, ces éléments optiques sont facilement endommagés par de puissants faisceaux laser », explique Heyl. « De plus, la qualité du faisceau laser en souffre. En revanche, nous sommes parvenus à dévier les faisceaux laser tout en préservant leur qualité et sans contact.
Autres applications et informations
Le principe du contrôle acoustique de la lumière laser dans les gaz ne se limite pas à la génération de réseaux optiques, soulignent les scientifiques. Il peut probablement également être transféré à d’autres éléments optiques tels que des lentilles et des guides d’ondes.
« Nous réfléchissons depuis longtemps à cette méthode et nous nous sommes vite rendu compte que des niveaux sonores extrêmes étaient nécessaires. Au début, cela semblait techniquement irréalisable», explique Heyl. «Mais nous n’avons pas abandonné et avons finalement trouvé une solution avec le soutien de chercheurs de l’Université technique de Darmstadt et de la société Inoson. Nous avons d’abord testé notre technique avec de l’air ordinaire. Ensuite, par exemple, nous utiliserons également d’autres gaz afin d’exploiter d’autres longueurs d’onde et d’autres propriétés optiques et géométries.
La déviation de la lumière directement dans l’air ambiant, déjà démontrée, ouvre des applications prometteuses, notamment en tant que commutation rapide pour les lasers de forte puissance. «Le potentiel du contrôle de la lumière sans contact et son extension à d’autres applications ne peuvent actuellement qu’être imaginés», explique Heyl. « L’optique moderne repose presque exclusivement sur l’interaction de la lumière avec la matière solide. Notre approche ouvre une toute nouvelle direction.
Des chercheurs de l’Université technique de Darmstadt, de l’Université des sciences appliquées d’Aalen, de l’Université de Hambourg, d’Inoson GmbH à Saint-Ingbert, de l’Institut Helmholtz de Jena et de DESY ont participé aux travaux.
