Фізики встановили новий рекорд, помістивши лазерний імпульс, що самофокусується, в повітряну клітку по університетському коридору довжиною 45 метрів.
Попередні результати значно менше метра, а цей новітній експеримент під керівництвом фізика Говарда Мілчберга з Університету Меріленду (UMD) відкриває нові можливості для обмеження світла каналами, відомими як повітряні хвилеводи. поки її можна знайти на сервері препринтів arXiv. Результати можуть надихнути нові способи досягнення далекого лазерного зв’язку або навіть передових технологій лазерної зброї.
«Якби у нас був довший коридор, наші результати показують, що ми могли б налаштувати лазер на довший хвилевід», — каже фізик UMD Ендрю Тартаро. , який у нас є».
Лазер може бути корисним для цілого ряду додатків, але когерентні промені акуратно організованого світла повинні бути якимось чином зібрані і сфокусовані. Наданий самому собі лазер розсіюватиметься, втрачаючи потужність і ефективність.
Одним з таких методів фокусування є хвилевод, і це саме те, на що це схоже: він спрямовує електромагнітні хвилі певним шляхом, запобігаючи їх розсіюванню.
Одним із прикладів є оптичне волокно. Він складається зі скляної трубки, якою прямують електромагнітні хвилі. Оскільки покриття зовні трубки має нижчий показник заломлення, ніж центр трубки, світло, яке намагається розсіятися, натомість відхиляється назад у трубку, зберігаючи пучок по всій її довжині.
У 2014 році Мільхберг та його колеги успішно продемонстрували те, що вони назвали повітряним хвилеводом. Замість того, щоб використовувати фізичну конструкцію, таку як трубка, вони використовували лазерні імпульси, щоб загнати своє лазерне світло. Вони виявили, що імпульсний лазер створює плазму, яка нагріває повітря на своєму шляху, залишаючи за собою шлях із повітря з більш низькою щільністю. Це схоже на блискавку і грім в мініатюрі: повітря, що розширюється, з нижчою щільністю створює звук, схожий на крихітний удар грому, що йде за лазером, створюючи те, що відомо як нитка. Повітря з нижчою щільністю має більше низький показник заломлення, ніж навколишнє повітря, як оболонка оптичного волокна. Таким чином, запуск цих ниток у певній конфігурації, яка «закриває» лазерний промінь у їхньому центрі, ефективно створює хвилевід з повітря.
Початкові експерименти, описані в 2014 році, дозволили створити повітряний хвилевід довжиною близько 70 сантиметрів (2,3 фути) з використанням чотирьох ниток розжарення. Щоб масштабувати експеримент, їм потрібно було більше ниток розжарення і набагато довший тунель, яким вони могли б світити, бажано без необхідності переміщати важке обладнання. Звідси і довгий коридор Центру енергетичних досліджень UMD, змінений для забезпечення безпечного розповсюдження лазерних променів через дірку у стіні лабораторії.
Входи в коридори були заблоковані, блискучі поверхні покриті, штори, що поглинають лазерне випромінювання, розгорнуті.
«Це був справді унікальний досвід», — говорить інженер-електрик UMD Ендрю Гоффін, перший автор статті команди.
«Потрібно багато роботи, пов’язаної зі стріляниною лазерами за межами лабораторії, з якою вам не доводиться мати справу, коли ви знаходитесь в лабораторії — наприклад, встановлення фіранок для захисту очей. Це безперечно втомлює».
Нарешті, команда змогла створити хвилевід, здатний перетинати 45-метровий коридор, що супроводжується потріскуванням, хлопками, крихітними гуркотом грому, що їх лазерна нитка «блискавки» створює. Наприкінці повітряного хвилеводу лазерний імпульс у центрі утримував близько 20 відсотків світла, яке інакше було б втрачено без хвилеводу.
Повернувшись до лабораторії, команда також вивчила коротший 8-метровий повітряний хвилевід, щоб виміряти процеси, що відбуваються в коридорі, де вони не мали для цього обладнання. Ці більш короткі тести змогли зберегти 60 відсотків світла, яке було б втрачено. Стали в нагоді й крихітні удари грому: чим потужніший хвилевід, тим голосніше бавовна.
Їх експерименти показали, що хвилевод надзвичайно швидкоплинний, що триває всього соті частки секунди. Однак для керування чимось, що рухається зі швидкістю світла, цього часу цілком достатньо.
Дослідження показує, де можна зробити покращення; наприклад, більш висока ефективність та довжина напрямної повинні призвести до ще менших втрат світла. Команда також хоче спробувати різні кольори лазерного світла і більш високу частоту пульсації нитки розжарення, щоб побачити, чи зможуть вони спрямовувати безперервний лазерний промінь. хвилеводів і багатьох додатків», — каже Мільхберг.
