文/John Wallace

十多年前，法國(guó)里昂一大的一個(gè)小組在實(shí)驗(yàn)室中表明，當(dāng)超快激光脈沖產(chǎn)生的光絲通過(guò)迷霧時(shí)，它們的衰減并沒有像預(yù)期的那樣多，因?yàn)楫?dāng)光絲本身被阻塞時(shí)，它從周圍的“光子浴”吸回能量，補(bǔ)充光絲中的能量。^[1]

現(xiàn)在，瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)和德國(guó)通快公司（Trumpf Scientific Lasers）的研究人員，正在使用由皮秒激光器產(chǎn)生的光絲，再次在實(shí)驗(yàn)室中穿過(guò)迷霧創(chuàng)建出一條路徑，這條路徑可能允許其他類型的激光束不受阻礙地穿過(guò)迷霧和云層。^[2]這種通過(guò)皮秒激光在迷霧或云層中“開辟出的無(wú)障礙通路”，具有很多潛在應(yīng)用，包括自由空間通信、遙感，或更為深遠(yuǎn)地改變局部天氣。

沖擊波清除霧滴

在實(shí)驗(yàn)裝置中，利用通快的Dira碟片激光器產(chǎn)生具有1.3ps持續(xù)時(shí)間、波長(zhǎng)1030nm、能量100mJ的脈沖光，該輸出光被輕微聚焦到40cm長(zhǎng)的迷霧室中。激光器的重復(fù)頻率在100~1000Hz之間變化，平均輸出功率為10~100W。

迷霧通過(guò)排氣口吹到激光束上，為光束提供總共約50cm長(zhǎng)的迷霧路徑。迷霧本身由平均尺寸為5μm的液滴組成，但其濃度比典型的室外迷霧的濃度高約100倍。

飛秒激光產(chǎn)生了三至四根光絲，其大約承載總光束能量的15％（其余光提供光子浴）。將光束成像到一個(gè)屏上，然后通過(guò)光學(xué)濾光片CCD照相機(jī)成像，該光學(xué)濾光片完全阻擋由空氣中的非線性光學(xué)相互作用產(chǎn)生的較短波長(zhǎng)的連續(xù)譜，但是僅部分阻擋基頻波長(zhǎng)。

通過(guò)迷霧的光束透射率從100Hz重復(fù)頻率下為0.1%，到1000Hz頻率下為32%。在更高的透射率下，整個(gè)光束路徑上，而不僅僅是成絲自身的路徑上，迷霧統(tǒng)統(tǒng)被清除掉了。研究人員假設(shè)，光絲中液滴中的能量沉積產(chǎn)生減壓（0.5atm）通道，并且空氣中由此產(chǎn)生沖擊波，從光絲以及更大的光束路徑噴射液滴。

雖然重復(fù)頻率為100Hz光束中的脈沖，可以在一定程度上從光束路徑中清除液滴，但是脈沖之間的時(shí)間足夠長(zhǎng)，使得光束中的液滴在脈沖之間得以補(bǔ)充（見圖1）。但是重復(fù)頻率為1000Hz的光束將產(chǎn)生一種穩(wěn)定狀態(tài)，這使得液滴在脈沖之間沒有時(shí)間重新進(jìn)入光束路徑。

參考文獻(xiàn)

1. F. Courvoisier et al., Appl. Phys. Lett., 83, 2, 213 (Jul. 14, 2003).

2. L. de la Cruz et al., arXiv:1612.08276v1 [physics.optics] (Dec. 25, 2016).