50metrový laserový experiment vytváří rekord na chodbě univerzity

Ne každá univerzita má laserové pulsy dostatečně silné na to, aby spálily papír a kůži, žhnoucí pulsy jsou vysílány do chodby. Ale to se stalo v UMD’s Energy Research Facility, nevýrazně vypadající budově na severovýchodním rohu kampusu. Pokud navštívíte nyní šedobílou užitkovou halu, bude vypadat jako kterákoli jiná vysokoškolská hala – pokud se nenakloníte za korkovou desku a neuvidíte kovovou desku zakrývající díru ve zdi.

Ale na několik nocí v roce 2021 profesor fyziky UMD Howard Melchberg a jeho kolegové proměnili chodbu v laboratoř: Lesklé povrchy dveří a vodní fontány byly zakryty, aby se zabránilo potenciálně oslepujícím odrazům; Pruhy spojené se značením, výstražnou páskou a soukromými jsou uzavřeny laser– Absorbující černé závěsy. Vědecké vybavení a kabely obvykle obývají otevřené procházkové prostory.

Zatímco členové týmu dělali svou práci, praskavý zvuk varoval před nebezpečně silnou dráhou, kterou laser sestřelil chodbou. Někdy let paprsku končil u bílého keramického bloku, který naplnil vzduch hlasitějšími údery a kovovým tónem. Každý večer seděl výzkumník sám u počítače v přilehlé laboratoři se zapnutou vysílačkou a prováděl požadované úpravy laseru.

Jejich úsilí spočívalo v dočasné přeměně řídkého vzduchu na vlákna optický kabel– nebo konkrétněji vzduch vlnovodu-To by nasměrovalo světlo na desítky metrů. Jako jeden z optických internetových kabelů, které poskytují efektivní dálnice pro optické datové toky, popisuje atmosférický vlnovod cestu pro světlo.

Tyto vzduchové vlnovody mají mnoho potenciálních aplikací souvisejících se sběrem nebo přenosem světla, jako je detekce světla vyzařovaného znečištěním atmosféry, laserová komunikace na velké vzdálenosti nebo dokonce laserové zbraně. Při použití vzduchových vlnovodů není třeba povolovat pevné kabely a dbát na omezení gravitace; Místo toho se kabel rychle vytvoří bez podpory ve vzduchu.

V článku přijatém k publikaci v časopise X fyzická recenze Tým popisuje, jak dosáhli rekordu pomocí řídicího světla ve 45metrových vlnách a vysvětlují fyziku za jejich metodou.

Výzkumníci provedli rekordní atmosférickou alchymii v noci, aby se vyhnuli rušení (nebo zakopnutí) nic netušících kolegů nebo studentů během pracovního dne. Než mohli změnit účel vstupu, museli si nechat schválit bezpečnostní postupy.

„Byl to opravdu jedinečný zážitek,“ řekl Andrew Goffin, postgraduální student elektrotechniky a počítačového inženýrství z UMD, který na projektu pracoval a je hlavním autorem výsledného článku v časopise. „Je spousta práce, která se týká zobrazovacích laserů mimo laboratoř a nemusíte se s tím zabývat, když jste v laboratoři – jako nasazování žaluzií pro bezpečnost očí. Rozhodně to bylo stresující.“

Veškerá práce spočívala ve vymýšlení délek, které byste mohli touto technikou zatlačit. Milchbergova laboratoř již dříve prokázala, že podobná metoda funguje na vzdálenosti menší než metr. Při rozšíření experimentů na desítky metrů ale vědci narazili na překážku: jejich laboratoř je příliš malá a pohyb laseru je nepraktický. Díra ve zdi a chodba se tak stávají laboratorním prostorem.

„Byly to významné výzvy: obrovské měřítko až 50 metrů nás přinutilo přehodnotit základní fyziku vytváření atmosférických vlnovodů a také touhu posílat Vysoce výkonný laser Dolů 50metrová veřejná galerie přirozeně vede k velkým bezpečnostním problémům. „Naštěstí jsme získali vynikající spolupráci jak z fyziky, tak z Maryland Office of Environmental Safety.“

Bez optických kabelů nebo vlnovodů, a paprsek světla– ať už z laseru nebo baterky – bude se neustále roztahovat, jak cestuje. Pokud se paprsek nechá nekontrolovaně šířit, jeho intenzita může klesnout na neužitečnou úroveň. Ať už se snažíte znovu vytvořit sci-fi laserový blaster nebo detekovat úrovně znečišťujících látek v atmosféře tím, že je načerpáte plné laserové energie a zachytíte uvolněné světlo, vyplatí se zajistit, aby světlo bylo dodáno efektivně a soustředěně.

Potenciálním řešením společnosti Milchberg na tuto výzvu udržet světlo v omezeném prostoru je extra světlo – ve formě ultrakrátkých laserových pulzů. Tento projekt navazuje na dřívější práci z roku 2014, ve které jeho laboratoř ukázala, že mohou tyto laserové pulsy použít k tvarování vlnovodů ve vzduchu.

Technika krátkých pulzů využívá schopnost laseru dodávat tak vysokou intenzitu po dráze zvané vlákno, že vytváří plazmu – fázi hmoty, kde jsou elektrony vytrhávány z jejich atomů. Tato energetická dráha ohřívá vzduch, takže se rozpíná a zanechává ve stopě laseru stopu vzduchu s nízkou hustotou. Tento proces je jako mini verze osvětlení a hromu, ve kterém energie blesku změní vzduch na plazmu, která explozivně rozšíří vzduch a vytvoří bouřku; Praskání, které výzkumníci slyšeli podél dráhy paprsku, pocházely od menších bratranců bouřkových mraků.

Ale samotné dráhy vláken s nízkou hustotou nebyly tím, co tým potřeboval k vedení laseru. Výzkumníci chtěli jádro s vysokou hustotou (jako jsou optické kabely pro internet). Proto vytvořili uspořádání několika tunelů s nízkou hustotou, které se přirozeně šíří a splývají do příkopu obklopujícího hustší jádro nerušeného vzduchu.

Experimenty z roku 2014 používaly specifické uspořádání pouze čtyř laserových vláken, ale nový experiment využíval nové nastavení laseru, které automaticky přizpůsobuje počet vláken v závislosti na výkonu laseru; Nitě jsou přirozeně rozmístěny kolem kroužku.

Výzkumníci ukázali, že tato technika může prodloužit délku atmosférického vlnovodu a zvýšit výkon, který může dodat k cíli na konci chodby. Na konci laserového letu vlnovod zadržel asi 20 % světla, které by jinak bylo ztraceno z cílové oblasti. Vzdálenost byla asi 60krát větší než její záznam z předchozích experimentů. Výpočty týmu naznačují, že se ještě neblíží teoretické hranici technologie a říkají, že v budoucnu by mělo být pomocí této metody dosaženo mnohem vyšší účinnosti řízení.

„Pokud bychom měli delší vstup, naše výsledky ukazují, že jsme mohli upravit laser tak, aby měl delší vlnovod,“ říká Andrew Tartaro, postgraduální student fyziky UMD, který na projektu pracoval a je autorem článku. „Ale našli jsme stopu přímo v naší hale.“

Vědci také provedli kratší osmimetrové testy v laboratoři, kde podrobněji zkoumali fyziku, která je v procesu ve hře. Při kratším testu byly schopny dopravit k cíli asi 60 % potenciálně ztraceného světla.

Praskavý zvuk Plasma Formation byl prakticky použit v jejich testech. Kromě toho, že je to indikace toho, kde paprsek byl, poskytl také výzkumníkům data. Použili řadu 64 mikrofonů k měření délky vlnovodu a toho, jak silný byl vlnovod po jeho délce (více energie, která se spotřebuje na vytvoření vlnovodu, se promítne do hlasitějšího praskání).

Tým zjistil, že vlnovod vydržel pouze milisekundy, než se rozptýlil zpět do vzduchu. Ale to jsou eony pro laserové výboje, kterými je výzkumníci posílali: světlo může za tu dobu urazit více než 3000 kilometrů.

Na základě toho, co se vědci naučili ze svých experimentů a simulací, plánuje tým provést experimenty, aby zlepšil délku a účinnost jejich vzduchových vlnovodů. Plánují také nasměrovat různé barvy světla a prozkoumat, zda rychlejší opakovací frekvence pulsů vlákna může vytvořit vlnovod pro směrování kontinuálního vysokoenergetického paprsku.

„Mít 50metrové měřítko pro vlnovody doslova urychluje cestu pro delší vlnovody a mnoho dalších aplikací,“ říká Melchberg. „Na základě nových laserů, které budeme mít brzy, máme recept na rozšíření našich průvodců na kilometr a dále.“