Физики побили рекорд, выстрелив лазером в коридор своего университета

Физики только что установили новый рекорд, поместив самофокусирующийся лазерный импульс в воздушную клетку по университетскому коридору длиной 45 метров (148 футов).

С предыдущим результаты значительно меньше метра, 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 принята в журнал Physical Review X, иnd тем временем 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 откорректировали лазер для более длинного волновода, — говорит физик UMD Эндрю Тартаро.

— Но мы подобрали наш проводник именно для того коридора, который у нас есть».

Лазеры могут быть полезны для диапазона 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 он похож: он направляет электромагнитные волны по определенному пути, предотвращая их распространение. от рассеяния.

Оптическое волокно является одним из примеров. 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, поддерживая луч по всей ее длине.

В 2014 г. 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, сопровождающий лазер, создавая так называемую нить накала.

Воздух с более низкой плотностью имеет более низкий показатель преломления, чем воздух с более низкой плотностью. воздух вокруг него — как оболочка вокруг оптоволоконной трубки. 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, создали воздушный волновод около 70 сантиметров (2,3). футов) в длину, используя четыре нити. 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. Таким образом, длинный коридор в Центре энергетических исследований UMD был изменен, чтобы обеспечить безопасное распространение лазерного луча через отверстие в стене лаборатории.

Точки входа в коридор были заблокированы, блестящие поверхности закрыты, шторы, поглощающие лазерное излучение, развернуты. .

«Это был действительно уникальный опыт, – говорит инженер-электрик UMD Эндрю Гоффин, первый автор статьи, опубликованной командой.

» – Чтобы стрелять из лазеров, нужно много работать. за пределами лаборатории, с которыми вам не нужно иметь дело, когда вы находитесь в лаборатории, например, навешивание занавесок для защиты глаз. Это определенно утомительно.»

Наконец, команда смогла создать волновод, способный пересекать 45-метровый коридор, сопровождаемый треском, треском и крошечными раскатами грома. их лазерной нитью «молнии». В конце воздушного волновода лазерный импульс в центре сохранил около 20 процентов света, который в противном случае был бы потерян без волновода.

В лаборатории команда также изучила более короткий , 8-метровый воздушный волновод, для измерения процессов, происходящих в коридоре, где для этого не было оборудования. Эти более короткие тесты смогли сохранить 60 процентов света, который был бы потерян. Крошечные удары грома также оказались полезными: чем мощнее волновод, тем громче хлопок.

Их эксперименты показали, что волновод чрезвычайно быстротечен и длится всего сотые доли секунды. Однако для управления чем-то, движущимся со скоростью света, этого времени вполне достаточно.

Исследование показывает, что можно улучшить; например, более высокая эффективность и длина направляющей должны привести к еще меньшим потерям света. Команда также хочет попробовать разные цвета лазерного излучения и более высокую частоту импульсов накаливания, чтобы увидеть, смогут ли они направлять непрерывный лазерный луч.

«Достижение 50-метрового масштаба для воздушных волноводов буквально сияет. пути для еще более длинных волноводов и многих приложений, — говорит Мильхберг.

«Основываясь на новых лазерах, которые мы скоро получим, у нас есть рецепт, позволяющий увеличить длину наших волноводов до одного километра и более».

Исследование было одобрено Physical Review X и доступно на arXiv.