用聲波控制光：在空氣中偏折激光束

聲光調制器就是一種利用聲波來調節固體材料中傳播的光的強度、頻率和方向的光學元件。當一束光和一束聲波在固體材料中相遇時，它們會發生相互作用，產生一些新的光波，這些光波的頻率和方向與原來的光波不同，而且與聲波的頻率和方向有關。通過改變聲波的參數，我們就可以改變新產生的光波的參數。

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

這些光學元件通常是由固體材料制成的，比如玻璃、晶體等等。這些材料有一個重要的特性，就是它們的折射率，也就是光在其中傳播時相對于真空的速度比例。折射率決定了光在不同介質之間的反射和折射角度，以及在同一介質中的相位變化。通過改變折射率，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，比如它們對光的吸收、損傷和非線性效應。當我們使用非常高功率或者非常短波長的激光時，這些限制就會變得很明顯。比如，如果我們想用激光產生超快脈沖或者高頻率信號，我們就需要用到飛秒或者阿秒級別的激光，但是這些激光在固體材料中會產生很強的非線性效應，導致波形失真和能量損失。

那么，有沒有一種方法可以避開這些限制呢？答案是有的。我們可以用氣體來代替固體作為光學介質。氣體有一個很大的優勢，就是它們對光的吸收和損傷幾乎可以忽略不計，而且它們的非線性效應也很小。但是，氣體也有一個很大的缺點，就是它們的折射率非常接近于1，也就是說它們對光幾乎沒有影響。那么，怎么樣才能讓氣體對光產生影響呢？答案是用聲波。

聲波是一種機械波，在氣體中傳播時會產生密度和壓力的變化。這些變化會導致氣體的折射率也發生變化。如果我們能夠用聲波來調節氣體的折射率分布，我們就可以實現對光的控制，產生所謂的聲光效應。

聲光效應在固體材料中已經被廣泛研究和應用了。比如，聲光調制器就是一種利用聲波來調節固體材料中傳播的光的強度、頻率和方向的光學元件。聲光調制器的原理是，當一束光和一束聲波在固體材料中相遇時，它們會發生相互作用，產生一些新的光波，這些光波的頻率和方向與原來的光波不同，而且與聲波的頻率和方向有關。通過改變聲波的參數，我們就可以改變新產生的光波的參數。聲光調制器有很多應用，比如激光掃描、激光頻率轉換、激光鎖相等等。

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

這篇論文的作者提出了一種用氣體來實現聲光調制器的方法。他們用一個強力的揚聲器來產生高強度的超聲波，在空氣中形成一個周期性的折射率分布。然后，他們用一個高功率的飛秒激光來照射這個超聲波場，在空氣中實現了對激光脈沖的偏轉。他們發現，當激光功率達到20 GW時，他們可以達到超過50%的偏轉效率，而且保持了很好的光束質量。這個功率比以前使用固體材料的聲光調制器高了大約三個數量級。

這個方法不僅僅可以用來偏轉激光脈沖，還可以用來實現其他的功能，比如聚焦、分束、成像、相位整形等等。只要我們能夠用聲波來控制氣體中的折射率分布，我們就可以實現各種各樣的氣體光學元件，而且這些元件都不會受到激光功率和波長的限制，也不會受到損傷和非線性效應的影響。這就為高功率和短波長激光技術提供了一個新的可能性。