Ein 50-Meter-Laserexperiment stellt im Korridor der Universität einen Rekord auf

Nicht jede Universität hat Laserpulse, die stark genug sind, um Papier und Leder zu verbrennen, die leuchtenden Pulse werden durch den Flur geschickt. Aber genau das geschah in der Energy Research Facility der UMD, einem unauffällig aussehenden Gebäude an der nordöstlichen Ecke des Campus. Wenn Sie die jetzt grau-weiße Zweckhalle besuchen, wird sie wie jede andere College-Halle aussehen – solange Sie nicht hinter die Korkplatte blicken und die Metallplatte entdecken, die ein Loch in der Wand bedeckt.

Doch für ein paar Nächte im Jahr 2021 verwandelten UMD-Physikprofessor Howard Melchberg und seine Kollegen den Flur in ein Labor: Die glänzenden Oberflächen der Türen und des Wasserbrunnens wurden abgedeckt, um potenziell blendende Reflexionen zu vermeiden; Fahrspuren, die mit Beschilderung, Absperrband und privaten Fahrspuren verbunden sind, sind gesperrt Laser-– Absorbierende schwarze Vorhänge. Wissenschaftliche Geräte und Kabel bewohnen normalerweise offene Gehräume.

Während die Teammitglieder ihrer Arbeit nachgingen, warnte ein knisterndes Geräusch vor der gefährlich starken Bahn, die der Laser den Flur hinuntergeschossen hatte. Manchmal endete der Flug des Strahls an einem weißen Keramikblock und füllte die Luft mit lauteren Schlägen und einem metallischen Ton. Jede Nacht saß der Forscher mit eingeschaltetem Walkie-Talkie allein an einem Computer im angrenzenden Labor und nahm die erforderlichen Einstellungen am Laser vor.

Ihre Bemühungen bestanden darin, dünne Luft vorübergehend in Fasern zu verwandeln optisches Kabel– oder genauer gesagt Luft Wellenleiter—Dies würde das Licht über mehrere zehn Meter lenken. Wie eines der Glasfaser-Internetkabel, die effiziente Autobahnen für optische Datenströme bieten, beschreibt ein atmosphärischer Wellenleiter einen Weg für Licht.

Diese Luftwellenleiter haben viele potenzielle Anwendungen im Zusammenhang mit der Sammlung oder Übertragung von Licht, wie z. B. die Erkennung von Licht, das durch Luftverschmutzung, Langstrecken-Laserkommunikation oder sogar Laserwaffen emittiert wird. Bei Verwendung von Luftwellenleitern müssen die starren Kabel nicht gelockert und keine Rücksicht auf die Beschränkungen der Schwerkraft genommen werden; Stattdessen bildet sich das Kabel schnell freitragend in der Luft.

In einem Artikel, der zur Veröffentlichung in der Zeitschrift angenommen wurde X körperliche Überprüfung Das Team beschreibt, wie sie einen Rekord aufstellten, indem sie Licht in 45 Meter langen Ätherwellen steuerten, und erklärt die Physik hinter ihrer Methode.

Die Forscher führten nachts rekordverdächtige atmosphärische Alchemie durch, um ahnungslose Kollegen oder Studenten während des Arbeitstages nicht zu stören (oder zu stolpern). Sie mussten ihre Sicherheitsverfahren genehmigen lassen, bevor sie den Eingang umfunktionieren konnten.

„Es war eine wirklich einzigartige Erfahrung“, sagte Andrew Goffin, ein Doktorand der Elektro- und Computertechnik an der UMD, der an dem Projekt mitgearbeitet hat und Hauptautor des daraus resultierenden Artikels in der Zeitschrift ist. „Es gibt eine Menge Arbeit, die außerhalb des Labors in die Bildgebungslaser gesteckt wird, und Sie müssen sich nicht damit befassen, wenn Sie im Labor sind – wie das Aufstellen von Jalousien zum Schutz der Augen. Es war definitiv stressig.“

Die ganze Arbeit bestand darin, herauszufinden, wie weit Sie diese Technik treiben konnten. Milchbergs Labor hat zuvor gezeigt, dass eine ähnliche Methode bei Entfernungen von weniger als einem Meter funktioniert. Aber die Forscher stießen bei der Ausweitung ihrer Experimente auf mehrere zehn Meter auf ein Hindernis: Ihr Labor ist zu klein und das Bewegen des Lasers unpraktisch. So wird aus einem Loch in der Wand und einem Flur ein Laborraum.

„Es gab erhebliche Herausforderungen: Der riesige Maßstab von bis zu 50 Metern zwang uns, die grundlegende Physik der atmosphärischen Wellenleitererzeugung sowie den Wunsch zu senden, zu überdenken Hochleistungslaser Eine 50 Meter lange öffentliche Galerie hinunter führt natürlich zu großen Sicherheitsproblemen. „Glücklicherweise haben wir sowohl von der Physik als auch vom Maryland Office of Environmental Safety eine hervorragende Zusammenarbeit erhalten.“

Ohne Glasfaserkabel oder Wellenleiter, a Lichtstrahl– ob von einem Laser oder einer Taschenlampe – es wird sich während seiner Reise kontinuierlich ausdehnen. Wenn sich der Strahl ungehindert ausbreiten kann, kann die Intensität des Strahls auf nicht hilfreiche Werte abfallen. Egal, ob Sie versuchen, einen Sci-Fi-Laserblaster nachzubauen oder Schadstoffe in der Atmosphäre zu erkennen, indem Sie sie mit Lasern mit Energie füllen und das freigesetzte Licht einfangen, es zahlt sich aus, sicherzustellen, dass das Licht effizient und fokussiert abgegeben wird.

Milchbergs potenzielle Lösung für diese Herausforderung, das Licht einzudämmen, ist zusätzliches Licht – in Form von ultrakurzen Laserpulsen. Dieses Projekt baut auf früheren Arbeiten aus dem Jahr 2014 auf, in denen sein Labor zeigte, dass sie diese Laserpulse verwenden können, um Wellenleiter in Luft zu formen.

Die Kurzpulstechnik nutzt die Fähigkeit des Lasers, entlang eines als Filament bezeichneten Pfads eine so hohe Intensität abzugeben, dass ein Plasma entsteht – eine Materiephase, in der Elektronen aus ihren Atomen gerissen werden. Dieser energetische Pfad erwärmt die Luft, sodass sie sich ausdehnt und eine Spur aus Luft mit geringer Dichte hinter dem Laser hinterlässt. Der Prozess ist wie eine Miniversion von Blitz und Donner, bei der die Energie des Blitzes die Luft in ein Plasma verwandelt, das die Luft explosionsartig ausdehnt und einen Donnerschlag erzeugt. Die knallenden Geräusche, die die Forscher entlang des Strahlengangs hörten, stammten von den kleineren Verwandten der Gewitterwolken.

Aber die Filamentpfade mit geringer Dichte allein waren nicht das, was das Team brauchte, um den Laser zu führen. Die Forscher wollten einen Kern mit hoher Dichte (wie Glasfaserkabel für das Internet). Daher schufen sie eine Anordnung mehrerer Tunnel mit geringer Dichte, die sich auf natürliche Weise ausbreiten und in einen Graben übergehen, der einen dichteren Kern aus ungestörter Luft umgibt.

Die Experimente von 2014 verwendeten eine spezifische Anordnung von nur vier Laserfäden, aber das neue Experiment verwendete einen neuen Laseraufbau, der die Anzahl der Fäden automatisch in Abhängigkeit von der Laserleistung skaliert; Die Fäden sind natürlich um den Ring verteilt.

Die Forscher zeigten, dass diese Technik die Länge eines atmosphärischen Wellenleiters verlängern und die Leistung erhöhen kann, die er an ein Ziel am Ende eines Flurs liefern kann. Am Ende des Laserflugs hielt der Wellenleiter etwa 20 % des Lichts zurück, das andernfalls aus dem Zielbereich verloren gegangen wäre. Die Entfernung war etwa 60-mal größer als der Rekord aus früheren Experimenten. Die Berechnungen des Teams zeigen, dass sie noch nicht nahe an der theoretischen Grenze der Technologie sind, und sagen, dass mit der Methode in Zukunft viel höhere Lenkeffizienzen erreicht werden sollten.

„Wenn wir einen längeren Eingang gehabt hätten, zeigen unsere Ergebnisse, dass wir den Laser hätten modifizieren können, um einen längeren Wellenleiter zu haben“, sagt Andrew Tartaro, ein UMD-Physik-Doktorand, der an dem Projekt mitgearbeitet hat und Autor des Papiers ist. „Aber wir haben unseren Hinweis direkt in unserer Lobby bekommen.“

Die Forscher führten auch kürzere Acht-Meter-Tests im Labor durch, bei denen sie die dabei im Spiel stehende Physik genauer untersuchten. Für den kürzeren Test waren sie in der Lage, etwa 60 % des möglicherweise verlorenen Lichts an ihr Ziel zu liefern.

Das knallende Geräusch der Plasma Formation wurde praktisch in ihren Tests verwendet. Es war nicht nur ein Hinweis darauf, wo sich der Strahl befand, sondern lieferte den Forschern auch Daten. Sie verwendeten eine Reihe von 64 Mikrofonen, um die Länge des Wellenleiters zu messen und wie stark der Wellenleiter entlang seiner Länge war (mehr Energie, die in die Herstellung des Wellenleiters fließt, führt zu einem lauteren Knistern).

Das Team fand heraus, dass der Wellenleiter nur Millisekunden überlebte, bevor er sich wieder in Luft auflöste. Aber das sind Äonen für die Laserstöße, durch die die Forscher sie geschickt haben: Das Licht kann in dieser Zeit mehr als 3.000 Kilometer zurücklegen.

Basierend auf dem, was die Forscher aus ihren Experimenten und Simulationen gelernt haben, plant das Team, Experimente durchzuführen, um die Länge und Effizienz ihrer Luftwellenleiter zu verbessern. Sie planen auch, verschiedene Lichtfarben zu lenken und zu untersuchen, ob eine schnellere Filamentpulswiederholungsrate einen Wellenleiter zum Lenken eines kontinuierlichen Hochenergiestrahls erzeugen kann.

„Eine 50-Meter-Skala für Wellenleiter zu haben, spornt buchstäblich den Weg für längere Wellenleiter und viele weitere Anwendungen an“, sagt Melchberg. „Basierend auf den neuen Lasern, die wir bald haben werden, haben wir das Rezept, um unsere Führungen auf einen Kilometer und mehr auszudehnen.“