Universeller Lichtmodulator: Durchbruch-Laserarchitektur für präzise Materiesteuerung

• Forscher entwickeln neue Laserarchitektur „Universal Light Modulator“ zum Proben und Steuern von Materie.
• Könnte Wendepunkt für alle großen photonischen Anwendungen mit hohem Leistungsbedarf sein.

Laser dienen diversen Zwecken: Materialausrichtung, Präsentationszeiger, ärztliche kosmetische/chirurgische Eingriffe. Viele Alltagsdinge basieren auf Lasertechnologie: Barcodescanner, optische Laufwerke, Glasfaser, Schneiden/Schweißen, Lasershows u. v. m.

Laser haben unglaubliche Fähigkeiten, Materie präzise zu steuern, anzutreiben und zu untersuchen. Obwohl sie meist im Hintergrund agieren, sind sie Rückgrat fortschrittlicher Wissenschaft und Technologie. 2018 ging der Physik-Nobelpreis an revolutionäre Lasertechnologie: Optische Pinzetten – Technik zum Einfangen von Nanopartikeln zwischen zwei Laserstrahlen.

Forscher am SLAC National Accelerator Laboratory und Stanford University entwickelten nun neue Laserarchitektur zum Proben und Steuern von Materie: den Universal Light Modulator.

Laser kann komplexe Strukturen integrieren

Da Laser kohärentes Licht emittiert, kann es weit komplexere Strukturen verkörpern als jede andere Lichtquelle – in Intensität und elektromagnetischer Verteilung. Beispiel: einzigartige 3D-Intensitätsverteilungen (optisches Sieb oder Waffeleis), zylindrische Vektorstrahlen.

Durch diese Fähigkeiten hat der Universal Light Modulator Potenzial, neue Türen für fortschrittliche Photonik-Anwendungen zu öffnen. Derzeit gibt es wenige zuverlässige Methoden zur Erzeugung komplexer Lichtstrukturen, sodass das Ausnutzen der Kapazität für Programmierung/Engineering solcher Strukturen sehr schwierig ist.

Referenz: The Optical Society

Bisher nur durch externe Instrumente wie Spatial Light Modulatoren in Projektoren möglich. Diese haben jedoch Spitzen- und Durchschnittsleistungslimits und können platzen, ohne Anwendungen mit signifikanten Leistungsniveaus zu erreichen.

Die neue Laserarchitektur umgeht diese Leistungsbegrenzung, ohne die Fähigkeit zur Erzeugung beliebiger Lichtstrukturen zu beeinträchtigen. Forscher entwickelten innovative Funktionalität, um Strahlen direkt in die Laserarchitektur zu engineeringen. Dies erfüllt zwei Hauptanforderungen: Lichtstruktur und Leistungsskalierung.

Strahlformung mit neuer Laserarchitektur | Greg Stewart / SLAC

Sie nutzten komposite Beamlets zum Bau programmierbarer Lichtpulse. Vorstellbar als Laserstrahl aus mehreren honigwabenartigen kürzeren Beamlets, von denen jedes unabhängig steuerbar ist, obwohl alle kohärent zueinander sind.

Sie können Informationen untereinander „offenbaren“, einschließlich Zustand und jeweiliger Beziehung. Sind alle Beamlets synchronisiert, können sie gemeinsam jede Struktur erzeugen.

Anwendungen

Der Universal Light Modulator ist extrem wertvoll in ultrakurzen Systemen (Femtosekunden-Zeitskalen und kürzer): Er kann völlig neue Denkweisen darüber anstoßen, wie Licht mit komplexen Strukturen technologische Vorhaben antreiben kann. Wendepunkt für alle großen photonischen Anwendungen mit hohem Leistungsbedarf: Mikro-Nano-Bearbeitung, optisches Trapping, Glasfaser-Telekom, Ultrakurz-Protonenwissenschaften.

Forscher versuchen nun, diese Lichtquellen zur Steuerung von Elektronenstrahlen bei Lichtgeschwindigkeit zu nutzen. Dies würde neue Röntgen- und Elektronenquellen schaffen und Lichtstruktur auf Röntgen und Elektronen prägen.

Weiterlesen: Praktisches 3D-Display durch Holografie und Light-Field-Technologie

Zudem planen sie parallele Anstrengungen: Erstens, mehr Beamlets integrieren und Modulator auf viel höhere Leistung upgraden. Zweitens prüfen, wie Femtosekunden-Beamlets in andere Wellenlängen via nichtlinearer Konversion umgewandelt werden – strukturiertes Licht mit hyperspektraler Komposition und natürlicher Selbst-Synchronizität oder Mehrfarbigkeit.