Fizycy biją rekord w wystrzeliwaniu laserów na swoim uniwersyteckim torze: ScienceAlert

Fizycy właśnie ustanowili nowy rekord, ograniczając samoogniskowy impuls laserowy do klatki powietrznej wzdłuż korytarza uniwersyteckiego o długości 45 metrów.

Z poprzednimi wynikami znacznie poniżej metra, ten najnowszy eksperyment prowadzony przez fizyka Howarda Melchberga z University of Maryland (UMD) otwiera nowe możliwości w zakresie wychwytywania światła w kanałach znanych jako falowody atmosferyczne.

Artykuł opisujący badania został przyjęty do czasopisma X ocena fizyczna, aW międzyczasie można je znaleźć Na serwerze prepress arXiv . Wyniki mogą zainspirować nowe sposoby osiągnięcia laserowej komunikacji dalekiego zasięgu, a nawet zaawansowanej laserowej technologii broni.

„Gdybyśmy mieli dłuższe wejście, nasze wyniki pokazują, że moglibyśmy zmodyfikować laser, aby mieć dłuższy falowód” – mówi. mówi fizyk z UMD, Andrew Tartaro.

„Ale znaleźliśmy naszą wskazówkę w naszym lobby”.

Lasery mogą być przydatne w wielu zastosowaniach, ale spójne promienie światła muszą być precyzyjnie ułożone Zakręcony i skupiony Jakoś. Pozostawiony sam sobie, laser rozproszy się, tracąc swoją moc i skuteczność.

Jedną z tych technik ogniskowania jest falowódco dokładnie brzmi: kieruje fale elektromagnetyczne na określoną ścieżkę, zapobiegając ich rozpraszaniu.

Światłowód jest jednym z przykładów. Składa się on ze szklanej rurki, wzdłuż której kierowane są fale elektromagnetyczne. Ponieważ okładzina na zewnątrz rury ma niższy współczynnik załamania światła niż środek rury, światło próbujące się rozproszyć jest zamiast tego zaginane przez rurkę, utrzymując wiązkę wzdłuż jej długości.

W 2014 roku Milchberg i jego współpracownicy z powodzeniem zademonstrowali coś, co nazywają falowodami atmosferycznymi. Zamiast używać struktury fizycznej, takiej jak rura, wykorzystali impulsy laserowe do syntezy światła laserowego. Odkryli, że laser pulsacyjny wytwarza plazmę, która ogrzewa powietrze, pozostawiając za sobą ślad powietrza o niskiej gęstości. To jest jak Błyskawica I grzmot w miniaturze: rozszerzające się powietrze o niskiej gęstości brzmi jak małe grzmoty, które podążają za laserem, tworząc tak zwane włókno.

Powietrze o mniejszej gęstości ma mniejszy współczynnik załamania światła niż otaczające je powietrze – taki jest płaszcz wokół tuby światłowodowej. Tak więc wystrzelenie tych włókien w określonej konfiguracji, która „uwięzi” wiązkę lasera w jej środku, skutecznie tworzy falowód z powietrza.

Eksperymenty wstępne Opisany w 2014 r Utwórz falowód anteny o długości około 70 cm (2,3 stopy), używając czterech włókien. Aby skalować eksperyment, potrzebowali więcej tropów — i znacznie dłuższego tunelu, aby włączyć światła, najlepiej bez konieczności przemieszczania ciężkiego sprzętu. W związku z tym zmodyfikowano długi korytarz w ośrodku badań nad energią UMD, aby umożliwić bezpieczną dyfuzję emitowanego lasera przez otwór w ścianie laboratorium.

Wejścia do korytarzy są zablokowane, błyszczące powierzchnie są zakryte, a kurtyny pochłaniające promieniowanie laserowe są rozmieszczone.

„To było naprawdę wyjątkowe przeżycie”. Inżynier elektryk UMD, Andrew Goffin, mówipierwszy autor pracy zespołowej.

„Obrazowanie laserowe poza laboratorium wiąże się z dużą ilością pracy, z którą nie musisz się zmagać, gdy jesteś w laboratorium – na przykład zakładanie żaluzji dla bezpieczeństwa oczu. To było zdecydowanie stresujące”.

W końcu zespołowi udało się stworzyć falowód zdolny do przemierzania 45-metrowego korytarza – któremu towarzyszą trzaski i trzaski oraz maleńki grzmot wytwarzany przez „błyskawice” lasera. Na końcu falowodu powietrznego impuls laserowy w środku zatrzymał około 20 procent światła, które w innym przypadku zostałoby utracone bez falowodu.

Po powrocie do laboratorium zespół badał również krótszy 8-metrowy falowód pneumatyczny, aby wykonać pomiary procesów zachodzących w przedsionku, ponieważ nie mieli do tego sprzętu. Te krótsze testy były w stanie zatrzymać 60 procent światła, które w przeciwnym razie zostałoby utracone. Przydatne były również małe grzmoty: im bardziej aktywny był falowód, tym głośniejszy był trzask.

Ich eksperymenty ujawniły, że falowody są niezwykle efemeryczne, trwające tylko setki milisekund. Aby skierować coś, co porusza się z prędkością światła, tego czasu jest mnóstwo.

Badania sugerują, gdzie można wprowadzić ulepszenia; Na przykład większa wydajność i długość wskazywania powinna skutkować mniejszą utratą światła. Zespół chce również poeksperymentować z różnymi kolorami światła laserowego i szybszym tempem pulsowania żarnika, aby sprawdzić, czy mogą skierować ciągłą wiązkę laserową.

„Zasięg 50 metrów dla prowadnic fal powietrznych dosłownie otwiera drogę dla dłuższych falowodów i wielu zastosowań” mówi Milchberg.

„W oparciu o nowe lasery, które wkrótce będziemy mieć, mamy przepis na rozszerzenie naszych przewodników do kilometra i dalej”.

Wyszukiwanie zaakceptowane X fizyczny przeglądi jest dostępny w godz arXiv.