Toen je een kind was, je hebt misschien een vergrootglas gebruikt om het zonlicht op een plek op het trottoir te richten. Met de lens van het vergrootglas kon je de energie van de zon concentreren door de lichtstralen op een punt te convergeren.

Zeg in plaats van het zonlicht op de grond te richten, je wilde het licht op een stuk papier richten. Stel je dan voor dat dat stuk papier bewoog. Als je de focus op het papier wilt houden, je zou de lens (het vergrootglas) kunnen verplaatsen of je zou de focus (de concentratie van licht) kunnen laten bewegen. Door de focus te laten bewegen, ontstaat een concept dat bekend staat als de vliegende focus.

Voor de eerste keer, onderzoekers van het Laboratory for Laser Energetics (LLE) van de University of Rochester hebben een manier gevonden om de vliegende focus te gebruiken om de intensiteit van lasers over langere afstanden beter te regelen. Hun techniek omvat het vastleggen van enkele van de snelste films die ooit zijn opgenomen en heeft het potentieel om onderzoekers te helpen bij het ontwerpen van de volgende generatie krachtige lasers of het produceren van lichtbronnen met nieuwe golflengten. De volgende generatie krachtige lasers zou krachtig genoeg kunnen zijn om deeltjes uit een vacuüm te genereren, terwijl de lichtbronnen nieuwe terahertz-stralen zouden kunnen produceren voor het bestuderen van complexe materialen en moleculen.

De onderzoekers publiceerden hun bevindingen in een paper in Natuurfotonica .

"Mensen hebben in het verleden misschien onbedoeld vliegende focus geproduceerd, maar dit is de eerste keer dat de vliegende focus is erkend als een handige manier om de brandpuntssnelheid te manipuleren, " zegt Dustin Froula, een senior wetenschapper aan de LLE en een assistent-professor natuurkunde aan Rochester.

Het bovenste frame laat zien wat er gebeurt als je, bijvoorbeeld, gebruik een vergrootglas om alle kleuren van het zonlicht - gerangschikt van blauw (kortere golflengten) tot rood (langere golflengte) - naar een enkel brandpunt (de verticale groene lijn) te richten. Alle kleuren zouden zich daar concentreren en tot stilstand komen. Het onderste frame laat zien wat er gebeurt als onderzoekers een vliegende focuslens gebruiken om alle kleuren van een laserstraal te richten, van blauw naar rood, waardoor elke kleur naar een ander brandpunt komt. Blauw zou eerst focussen en dan zou deze focus achteruit gaan naar het rood. De focus komt niet tot stilstand, maar in plaats daarvan beweegt.

"Dit blijkt superkrachtig te zijn, "zegt Froula. "De vliegende focus stelt ons in staat om die hoge intensiteit over honderden keren de afstand te hebben dan we voorheen konden. Op dit moment proberen we de volgende generatie krachtige lasers te maken en vliegende focus zou die technologie kunnen zijn."

Met de techniek die LLE-onderzoekers hebben ontwikkeld, kunnen ze metingen uitvoeren door films van het bewegende brandpunt vast te leggen met een snelheid van een biljoenste van een frame per seconde - een van de snelste films die ooit zijn opgenomen.

Froula en zijn collega's bereikten dit met behulp van een korte pulslaser en een diffractieve lens, gemaakt door Terry Kessler, een groepsleider optische en beeldvormende wetenschappen aan de LLE.

"Er zijn maar een paar van deze lenzen in de wereld en drie ervan werden meer dan 10 jaar geleden in de LLE gebouwd door Terry en zijn team als onderdeel van het OMEGA EP-project, " zegt Froula. "Onze groep plasmafysica wilde een experiment ontwerpen dat de voortplanting van een brandpunt bij elke snelheid zou meten, inclusief 50 keer de lichtsnelheid. Dit vereiste een diagnose die een film kon maken met frames op een biljoenste van een seconde."

Froula zegt dat de coöperatieve steun van het Laser Science Team van de LLE heeft bijgedragen aan het bereiken van deze prestatie:"De collaboratieve multidisciplinaire groepen bij LLE hebben dit nieuwe concept mogelijk gemaakt en leiden tot doorbraken in veel laserplasmatoepassingen."