Atmospheric aerosol clearing by femtosecond filaments
本研究揭示，飞秒丝状光主要是通过对水滴的光学破碎而非声学位移来清除大气雾气，后者仅在针对紧聚焦非丝状脉冲时才变得显著。
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想象一下，你正试图驾车穿过一道厚厚的、白色的雾墙。空气中漂浮着的微小水滴就像数百万面微小的镜子，将你的车灯光线向四面八方散射，让你陷入一片盲目。这就是大气气溶胶的问题：它们阻挡了光线，使得激光难以进行长距离的信息传输或能量传递。科学家们一直试图通过使用强力的、超快速的激光脉冲来解决这个问题。这些脉冲如此强烈，以至于它们在传播过程中可以自我扭曲和塑形，创造出一种被称为“丝状体”（filament）的自引导“光束”。把丝状体想象成一束拒绝扩散的激光，它能保持紧凑且强力，延伸数百米，就像一柄发光的长矛刺穿空气。研究人员一直在问一个大问题：这柄激光长矛究竟是如何清除雾气的？它是通过冲击波（就像音爆将叶子推开一样）将水滴撞开吗？还是它将水滴撞成了粉尘？
马里兰大学的一个科学家团队决定通过观察单个、定时完美的液滴与激光丝状体相遇时会发生什么，来解决这场争论。他们设计了一个实验，能够将一个微小的水滴（半径约为5微米，大小如尘埃）直接投射到激光路径中。他们使用高速摄像机来观察液滴是被激光加热空气产生的声音推开，还是被光本身震碎的。他们还运行了计算机模拟，以查看物理现象是否与观察结果相符。
结果令人惊讶，它颠覆了一个流行的观点。长期以来，许多人认为激光是通过让空气极速升温，从而产生强大的声波来清除雾气的。然而，科学家们发现，对于标准聚焦光束所产生的这类激光丝状体，这种声波实际上太弱了，无法胜任这项工作。这就像是用一阵微风试图把一块沉重的巨石从悬崖上吹走；声波根本没有足够的“劲头”将液滴推开到足以清出路径的距离。
相反，故事中的真正英雄是光本身。当激光击中水滴时，它就像一个放大镜，将光线强烈地聚焦在液滴的背面。这导致水瞬间受热、沸腾并向外爆炸，这个过程被称为“光学破碎”（optical shattering）。液滴不仅仅是在移动，它是在破碎成微小的、显微级别的碎片。这些碎片变得如此之小，以至于它们不再像镜子那样散射光线；相反，它们让光线直接穿透过去。激光本质上是将雾气变成了细微的薄雾，这种薄雾对下一束光是“隐形”的。
研究人员非常仔细地测试了“声波”理论。他们创造了一种情景，迫使激光向空气中注入大量的能量——远多于普通丝状体的能量——以观察超强的声波是否最终能将液滴推开。即便在这种情况下，液滴也只移动了极小的距离，大约5微米，这不足以清出一条路径。他们的计算机模拟证实了这一点，显示空气的阻力几乎立即减慢了液滴的速度。只有当他们使用一种高度聚焦的、非丝状体的激光，将巨大的能量倾注在一个极小的点上时，声波才成为了足够强的“推动者”，但这并不符合用于长距离清除雾气的长距离、自引导丝状体的条件。
因此，最终的结论是，对于现实世界中使用的长程激光丝状体，雾气并不是被音爆清除的。它是通过微观爆炸被清除的。激光光束将水滴撞碎成无害的尘埃，使下一束光能够毫无阻碍地通过。虽然声波确实存在，但它太弱了，不足以成为主要的清除机制。科学家们建议，如果我们未来想要利用声波来清除雾气，我们可能需要寻找不同类型的激光，例如使用更长波长或不同脉冲形状的激光，但就目前而言，激光丝状体的魔力在于其粉碎雾气的能力，而非推动雾气的能力。
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