Физики установили новый рекорд, поместив самофокусирующийся лазерный импульс в воздушную клетку по университетскому коридору длиной 45 метров.
Предыдущие результаты значительно меньше метра, а этот новейший эксперимент под руководством физика Говарда Милчберга из Университета Мэриленда (UMD) открывает новые возможности для ограничения света каналами, известными как воздушные волноводы.
Статья с описанием исследования была принята в журнал Physical Review X, а пока ее можно найти на сервере препринтов arXiv . Результаты могут вдохновить на новые способы достижения дальней лазерной связи или даже передовых технологий лазерного оружия.
«Если бы у нас был более длинный коридор, наши результаты показывают, что мы могли бы настроить лазер на более длинный волновод», — говорит физик UMD Эндрю Тартаро .
«Но мы нашли нашего проводника прямо для того коридора, который у нас есть».
Лазеры могут быть полезны для целого ряда приложений, но когерентные лучи аккуратно организованного света должны быть каким-то образом собраны и сфокусированы . Предоставленный самому себе, лазер будет рассеиваться, теряя мощность и эффективность.
Одним из таких методов фокусировки является волновод , и это именно то, на что это похоже: он направляет электромагнитные волны по определенному пути, предотвращая их рассеяние.
Одним из примеров является оптическое волокно . Он состоит из стеклянной трубки, по которой направляются электромагнитные волны. Поскольку покрытие снаружи трубки имеет более низкий показатель преломления, чем центр трубки, свет, который пытается рассеяться, вместо этого отклоняется обратно в трубку, сохраняя пучок по всей ее длине.
В 2014 году Мильхберг и его коллеги успешно продемонстрировали то, что они назвали воздушным волноводом. Вместо того, чтобы использовать физическую конструкцию, такую ??как трубка, они использовали лазерные импульсы, чтобы загнать свой лазерный свет. Они обнаружили, что импульсный лазер создает плазму, которая нагревает воздух на своем пути, оставляя за собой путь из воздуха с более низкой плотностью. Это похоже на молнию и гром в миниатюре: расширяющийся воздух с более низкой плотностью создает звук, похожий на крошечный удар грома, следующий за лазером, создавая то, что известно как нить.
Воздух с более низкой плотностью имеет более низкий показатель преломления, чем окружающий его воздух, как оболочка оптического волокна. Таким образом, запуск этих нитей в определенной конфигурации, которая «запирает» лазерный луч в их центре, эффективно создает волновод из воздуха.
Первоначальные эксперименты , описанные в 2014 году, позволили создать воздушный волновод длиной около 70 сантиметров (2,3 фута) с использованием четырех нитей накала. Чтобы масштабировать эксперимент, им нужно было больше нитей накала и гораздо более длинный туннель, по которому они могли бы светить, желательно без необходимости перемещать тяжелое оборудование. Отсюда и длинный коридор Центра энергетических исследований UMD, измененный для обеспечения безопасного распространения лазерных лучей через дыру в стене лаборатории.
Входы в коридоры были заблокированы, блестящие поверхности покрыты, шторы, поглощающие лазерное излучение, развернуты.
«Это был действительно уникальный опыт», — говорит инженер-электрик UMD Эндрю Гоффин , первый автор статьи команды.
«Требуется много работы, связанной со стрельбой лазерами за пределами лаборатории, с которой вам не приходится иметь дело, когда вы находитесь в лаборатории — например, установка занавесок для защиты глаз. Это определенно утомительно».
Наконец, команда смогла создать волновод, способный пересекать 45-метровый коридор, сопровождаемый потрескиванием, хлопками, крошечными раскатами грома, создаваемыми их лазерной нитью «молнии». В конце воздушного волновода лазерный импульс в центре удерживал около 20 процентов света, который в противном случае был бы потерян без волновода.
Вернувшись в лабораторию, команда также изучила более короткий 8-метровый воздушный волновод, чтобы измерить процессы, происходящие в коридоре, где у них не было для этого оборудования. Эти более короткие тесты смогли сохранить 60 процентов света, который был бы потерян. Пригодились и крошечные удары грома: чем мощнее волновод, тем громче хлопок.
Их эксперименты показали, что волновод чрезвычайно мимолетный, длящийся всего сотые доли секунды. Однако для управления чем-то, что движется со скоростью света, этого времени вполне достаточно.
Исследование показывает, где можно сделать улучшения; например, более высокая эффективность и длина направляющей должны привести к еще меньшим потерям света. Команда также хочет попробовать разные цвета лазерного света и более высокую частоту пульсации нити накала, чтобы увидеть, смогут ли они направлять непрерывный лазерный луч.
«Достижение 50-метрового масштаба для воздушных волноводов буквально прокладывает путь для еще более длинных волноводов и многих приложений», — говорит Мильхберг .
«Основываясь на новых лазерах, которые мы скоро получим, у нас есть рецепт, чтобы расширить наши направляющие до одного километра и более».
Подписывайтесь на «Гродно 24» в Дзен Новости и на наш канал в Дзен