50-metrowy eksperyment laserowy ustanawia rekord na uniwersyteckim korytarzu

Nie każdy uniwersytet ma impulsy laserowe wystarczająco silne, aby spalić papier i skórę, a świecące impulsy są wysyłane wzdłuż korytarza. Ale tak właśnie stało się w Energy Research Facility UMD, niepozornym budynku w północno-wschodnim rogu kampusu. Jeśli odwiedzisz obecnie szaro-białą aulę użytkową, będzie ona wyglądać jak każda inna sala uniwersytecka – o ile nie zajrzysz za tablicę korkową i nie zauważysz metalowej płyty zakrywającej dziurę w ścianie.

Ale na kilka nocy w 2021 roku profesor fizyki UMD Howard Melchberg i jego współpracownicy przekształcili korytarz w laboratorium: błyszczące powierzchnie drzwi i fontanny zostały zasłonięte, aby uniknąć potencjalnie oślepiających odbić; Pasy połączone z oznakowaniem, taśmą ostrzegawczą i prywatne są zamknięte laser– Absorpcja czarnych zasłon. Sprzęt naukowy i kable zwykle zamieszkują otwarte przestrzenie spacerowe.

Podczas gdy członkowie zespołu wykonywali swoją pracę, trzask ostrzegł o niebezpiecznie potężnej ścieżce, którą laser wystrzelił w dół korytarza. Czasami lot promienia kończył się na białym ceramicznym bloku, wypełniając powietrze głośniejszymi uderzeniami i metalicznym tonem. Każdej nocy badacz siedział samotnie przy komputerze w sąsiednim laboratorium z włączonym krótkofalówką i dokonywał wymaganych regulacji lasera.

Ich wysiłki polegały na tymczasowym przekształceniu rozrzedzonego powietrza we włókna kabel optyczny— a dokładniej powietrze falowód— To skierowałoby światło na dziesiątki metrów. Podobnie jak jeden ze światłowodowych kabli internetowych zapewniających wydajne autostrady dla optycznych strumieni danych, radiowód opisuje ścieżkę dla światła.

Te falowody mają wiele potencjalnych zastosowań związanych z gromadzeniem lub przesyłaniem światła, takich jak wykrywanie światła emitowanego przez zanieczyszczenia atmosferyczne, komunikację laserową dalekiego zasięgu, a nawet broń laserową. Używając falowodów powietrznych nie ma potrzeby luzowania sztywnych kabli i dbania o ograniczenia grawitacji; Zamiast tego kabel szybko tworzy się w powietrzu bez podparcia.

W artykule przyjętym do publikacji w czasopiśmie X fizyczny przegląd Zespół opisuje, w jaki sposób ustanowił rekord, sterując światłem na falach radiowych o długości 45 metrów, i wyjaśnia fizykę stojącą za ich metodą.

Naukowcy przeprowadzili rekordową alchemię atmosferyczną w nocy, aby uniknąć przeszkadzania (lub potykania się) niczego niepodejrzewającym kolegom lub studentom w ciągu dnia pracy. Musieli zatwierdzić swoje procedury bezpieczeństwa, zanim mogli zmienić przeznaczenie wejścia.

„To było naprawdę wyjątkowe doświadczenie” — powiedział Andrew Goffin, absolwent inżynierii elektrycznej i komputerowej z UMD, który pracował nad projektem i jest głównym autorem artykułu w czasopiśmie. „Z obrazowaniem laserowym poza laboratorium wiąże się dużo pracy i nie musisz sobie z tym radzić, gdy jesteś w laboratorium – jak zakładanie żaluzji dla bezpieczeństwa oczu. To było zdecydowanie stresujące”.

Cała praca polegała na ustaleniu, jak długo można przesunąć tę technikę. Laboratorium Milchberga wykazało wcześniej, że podobna metoda działa na odległościach mniejszych niż metr. Ale naukowcy napotkali przeszkodę w rozszerzeniu swoich eksperymentów na dziesiątki metrów: ich laboratorium jest za małe, a przemieszczanie lasera jest niepraktyczne. W ten sposób otwór w ścianie i korytarz stają się przestrzenią laboratoryjną.

„Były poważne wyzwania: ogromna skala do 50 metrów zmusiła nas do ponownego rozważenia podstawowej fizyki generowania falowodów atmosferycznych, a także chęci wysłania Laser dużej mocy W dół 50-metrowej galerii publicznej naturalnie prowadzi do poważnych problemów związanych z bezpieczeństwem. „Na szczęście udało nam się uzyskać doskonałą współpracę zarówno ze strony fizyków, jak i Urzędu ds. Bezpieczeństwa Środowiska w Maryland”.

Bez kabli światłowodowych lub falowodów, a promień światła– czy to z lasera, czy z latarki – będzie się stale rozszerzać podczas podróży. Jeśli wiązka będzie się rozprzestrzeniać bez kontroli, intensywność wiązki może spaść do nieprzydatnych poziomów. Niezależnie od tego, czy próbujesz odtworzyć laserowy blaster science-fiction, czy wykrywasz poziomy zanieczyszczeń w atmosferze, pompując je pełną energią za pomocą laserów i przechwytując uwalniane światło, opłaca się upewnić się, że światło jest dostarczane wydajnie i skupione.

Potencjalnym rozwiązaniem Milchberga na to wyzwanie, jakim jest ograniczenie światła, jest dodatkowe światło — w postaci ultrakrótkich impulsów laserowych. Ten projekt opiera się na wcześniejszych pracach z 2014 roku, w których jego laboratorium wykazało, że mogą wykorzystać te impulsy laserowe do rzeźbienia falowodów w powietrzu.

Technika krótkich impulsów wykorzystuje zdolność lasera do dostarczania tak dużej intensywności wzdłuż ścieżki zwanej włóknem, że tworzy plazmę – fazę materii, w której elektrony są odrywane od atomów. Ta ścieżka energetyczna ogrzewa powietrze, więc rozszerza się i pozostawia ślad powietrza o niskiej gęstości w ślad za laserem. Proces ten jest jak mini wersja błyskawicy i grzmotu, w której energia błyskawicy zamienia powietrze w plazmę, która wybuchowo rozszerza powietrze, tworząc grzmot; Trzaskające dźwięki, które badacze słyszeli wzdłuż ścieżki wiązki, pochodziły od mniejszych kuzynów chmur burzowych.

Ale same ścieżki włókien o niskiej gęstości nie były tym, czego zespół potrzebował do prowadzenia lasera. Naukowcy chcieli rdzenia o dużej gęstości (takiego jak kable światłowodowe do Internetu). Dlatego stworzyli układ wielu tuneli o niskiej gęstości, które rozprzestrzeniają się naturalnie i łączą się w rów otaczający gęstszy rdzeń niezakłóconego powietrza.

Eksperymenty z 2014 roku wykorzystywały określony układ tylko czterech nici laserowych, ale nowy eksperyment wykorzystywał nową konfigurację lasera, która automatycznie skaluje liczbę nici w zależności od mocy lasera; Nici są naturalnie rozmieszczone wokół pierścienia.

Naukowcy wykazali, że ta technika może wydłużyć długość falowodu atmosferycznego, zwiększając moc, jaką może dostarczyć do celu na końcu korytarza. Na zakończenie lotu lasera falowód zatrzymał około 20% światła, które w przeciwnym razie zostałoby utracone z obszaru docelowego. Odległość była około 60 razy większa niż jej rekord z poprzednich eksperymentów. Obliczenia zespołu wskazują, że nie zbliżają się jeszcze do teoretycznego limitu technologii i mówią, że w przyszłości przy użyciu tej metody należy osiągnąć znacznie wyższą wydajność sterowania.

„Gdybyśmy mieli dłuższe wejście, nasze wyniki pokazują, że moglibyśmy zmodyfikować laser, aby mieć dłuższy falowód” – mówi Andrew Tartaro, absolwent fizyki UMD, który pracował nad projektem i jest autorem artykułu. „Ale znaleźliśmy naszą wskazówkę w naszym lobby”.

Naukowcy przeprowadzili również krótsze ośmiometrowe testy w laboratorium, w których bardziej szczegółowo zbadali fizykę zachodzącą w tym procesie. W przypadku krótszego testu byli w stanie dostarczyć około 60% potencjalnie utraconego światła do celu.

Trzaskający dźwięk Formacji Plazmy był praktycznie używany w ich testach. Poza tym, że wskazywał miejsce, w którym znajdowała się wiązka, dostarczył również naukowcom danych. Użyli linii 64 mikrofonów do zmierzenia długości falowodu i siły falowodu wzdłuż jego długości (więcej energii potrzebnej do wytworzenia falowodu przekłada się na głośniejsze trzaski).

Zespół odkrył, że falowód trwał tylko przez milisekundy, zanim rozproszył się z powrotem w powietrzu. Ale to eony dla rozbłysków laserowych, przez które naukowcy je wysyłali: światło może w tym czasie przebyć ponad 3000 kilometrów.

W oparciu o to, czego naukowcy nauczyli się z eksperymentów i symulacji, zespół planuje przeprowadzić eksperymenty w celu poprawy długości i wydajności swoich falowodów. Planują również skierować różne kolory światła i zbadać, czy większa częstotliwość powtarzania impulsów włókna może wytworzyć falowód do kierowania ciągłą wiązką o wysokiej energii.

„Posiadanie 50-metrowej skali dla falowodów dosłownie otwiera ścieżkę dla dłuższych falowodów i wielu innych zastosowań”, mówi Melchberg. „W oparciu o nowe lasery, które wkrótce będziemy mieć, mamy przepis na rozszerzenie naszych przewodników do kilometra i dalej”.