用声波控制光：在空气中偏折激光束

激光是一种非常强大的光源，它可以产生非常高的功率和亮度。激光有很多应用，比如引力波天文学、量子计量学、超快科学、半导体制造等等。但是，要想有效地控制激光的参数，比如强度、形状、方向和相位，就需要用到一些特殊的光学元件，比如透镜、镜子、波导等等。

这些光学元件通常是由固体材料制成的，比如玻璃、晶体等等。这些材料有一个重要的特性，就是它们的折射率，也就是光在其中传播时相对于真空的速度比例。折射率决定了光在不同介质之间的反射和折射角度，以及在同一介质中的相位变化。通过改变折射率，我们就可以改变光的传播特性。

但是，固体材料也有一些限制，比如它们对光的吸收、损伤和非线性效应。当我们使用非常高功率或者非常短波长的激光时，这些限制就会变得很明显。比如，如果我们想用激光产生超快脉冲或者高频率信号，我们就需要用到飞秒或者阿秒级别的激光，但是这些激光在固体材料中会产生很强的非线性效应，导致波形失真和能量损失。

那么，有没有一种方法可以避开这些限制呢？答案是有的。我们可以用气体来代替固体作为光学介质。气体有一个很大的优势，就是它们对光的吸收和损伤几乎可以忽略不计，而且它们的非线性效应也很小。但是，气体也有一个很大的缺点，就是它们的折射率非常接近于1，也就是说它们对光几乎没有影响。那么，怎么样才能让气体对光产生影响呢？答案是用声波。

声波是一种机械波，在气体中传播时会产生密度和压力的变化。这些变化会导致气体的折射率也发生变化。如果我们能够用声波来调节气体的折射率分布，我们就可以实现对光的控制，产生所谓的声光效应。

声光效应在固体材料中已经被广泛研究和应用了。比如，声光调制器就是一种利用声波来调节固体材料中传播的光的强度、频率和方向的光学元件。声光调制器的原理是，当一束光和一束声波在固体材料中相遇时，它们会发生相互作用，产生一些新的光波，这些光波的频率和方向与原来的光波不同，而且与声波的频率和方向有关。通过改变声波的参数，我们就可以改变新产生的光波的参数。声光调制器有很多应用，比如激光扫描、激光频率转换、激光锁相等等。

但是，声光调制器也有一些限制，比如它们对激光的功率和波长有一定的要求。如果我们使用太高功率或者太短波长的激光，声光调制器就会失效或者损坏。那么，能不能用气体来代替固体作为声光调制器呢？答案是可以的，这就是最近一篇论文所研究的内容。

这篇论文的作者提出了一种用气体来实现声光调制器的方法。他们用一个强力的扬声器来产生高强度的超声波，在空气中形成一个周期性的折射率分布。然后，他们用一个高功率的飞秒激光来照射这个超声波场，在空气中实现了对激光脉冲的偏转。他们发现，当激光功率达到20 GW时，他们可以达到超过50%的偏转效率，而且保持了很好的光束质量。这个功率比以前使用固体材料的声光调制器高了大约三个数量级。

这个方法不仅仅可以用来偏转激光脉冲，还可以用来实现其他的功能，比如聚焦、分束、成像、相位整形等等。只要我们能够用声波来控制气体中的折射率分布，我们就可以实现各种各样的气体光学元件，而且这些元件都不会受到激光功率和波长的限制，也不会受到损伤和非线性效应的影响。这就为高功率和短波长激光技术提供了一个新的可能性。