Januar 31, 2023

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Physiker brechen den Rekord für das Abfeuern von Lasern in ihrer Universitätsspur: ScienceAlert

Physiker haben gerade einen neuen Rekord aufgestellt, indem sie einen selbstfokussierenden Laserpuls auf einen Luftkäfig entlang eines 45 Meter langen Universitätskorridors beschränkt haben.

Mit früheren Ergebnissen weit unter einem Meter beschreitet dieses jüngste Experiment unter der Leitung des Physikers Howard Melchberg von der University of Maryland (UMD) neue Wege zum Einfangen von Licht in Kanälen, die als atmosphärische Wellenleiter bekannt sind.

Ein Artikel, der die Forschung beschreibt, wurde in die Zeitschrift aufgenommen X körperliche Überprüfung, aSie können in der Zwischenzeit gefunden werden Auf dem Prepress-Server arXiv . Die Ergebnisse könnten zu neuen Wegen inspirieren, um laserbasierte Fernkommunikation oder sogar fortschrittliche laserbasierte Waffentechnologie zu erreichen.

„Wenn wir einen längeren Eingang hätten, zeigen unsere Ergebnisse, dass wir den Laser hätten modifizieren können, um einen längeren Wellenleiter zu haben“, sagt er. sagt UMD-Physiker Andrew Tartaro.

„Aber wir haben unseren Hinweis direkt in unserer Lobby bekommen.“

Laser können für eine Reihe von Anwendungen nützlich sein, aber kohärente Lichtstrahlen müssen präzise angeordnet werden Verdreht und fokussiert Irgendwie. Sich selbst überlassen, zerstreut sich der Laser und verliert seine Kraft und Effektivität.

Eine dieser Fokussiertechniken ist Wellenleiterwonach es sich anhört: Es lenkt elektromagnetische Wellen auf einen bestimmten Weg und verhindert, dass sie gestreut werden.

Glasfaser ist ein Beispiel. Diese besteht aus einem Glasrohr, entlang dem elektromagnetische Wellen geleitet werden. Da die Ummantelung um die Außenseite der Röhre herum einen niedrigeren Brechungsindex hat als die Mitte der Röhre, wird Licht, das zu streuen versucht, stattdessen durch die Röhre gebogen, wodurch der Strahl entlang seiner Länge gehalten wird.

2014 demonstrierten Milchberg und seine Kollegen erfolgreich das, was sie atmosphärische Wellenleiter nennen. Anstatt eine physische Struktur wie eine Röhre zu verwenden, verwendeten sie Laserpulse, um ihr Laserlicht zu synthetisieren. Sie fanden heraus, dass der gepulste Laser Plasma erzeugt, das die Luft in seinem Kielwasser erhitzt und eine Spur aus Luft mit geringer Dichte hinterlässt. Es ist wie Blitz Und Donner im Kleinen: Sich ausdehnende Luft geringer Dichte klingt wie winzige Donnerschläge, die dem Laser folgen und einen sogenannten Faden erzeugen.

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Weniger dichte Luft hat einen niedrigeren Brechungsindex als die Luft um sie herum – so ist die Umhüllung um ein Glasfaserrohr. Das Schießen dieser Filamente in einer bestimmten Konfiguration, die den Laserstrahl in seiner Mitte „einfängt“, erzeugt effektiv einen Wellenleiter aus Luft.

Vorversuche 2014 beschrieben Erstellen Sie einen Antennenwellenleiter von etwa 70 cm (2,3 Fuß) Länge mit vier Filamenten. Um das Experiment zu skalieren, brauchten sie mehr Leitungen – und einen viel längeren Tunnel nach unten, um ihre Lichter anzuschalten, vorzugsweise ohne ihre schwere Ausrüstung bewegen zu müssen. Daher wurde ein langer Korridor in der Energieforschungseinrichtung der UMD modifiziert, um eine sichere Diffusion des emittierten Lasers durch ein Loch in der Laborwand zu ermöglichen.

Korridoreingänge werden blockiert, glänzende Oberflächen abgedeckt und laserabsorbierende Vorhänge eingesetzt.

„Es war eine wirklich einzigartige Erfahrung.“ UMD-Elektroingenieur Andrew Goffin sagtErstautor des Teampapiers.

„Es gibt eine Menge Arbeit, die außerhalb des Labors in die Laserbildgebung gesteckt wird, mit der Sie sich nicht beschäftigen müssen, wenn Sie im Labor sind – wie das Aufstellen von Jalousien zum Schutz der Augen. Es war definitiv stressig.“

Das Licht wurde nach seinem Flug im Atrium ohne (links) und mit (rechts) atmosphärischem Wellenleiter gesammelt. (Labor für Laserintensivierte Wechselwirkungen, UMD)

Schließlich war das Team in der Lage, einen Wellenleiter zu schaffen, der einen 45 Meter langen Korridor durchqueren konnte – begleitet von knisternden und knallenden Geräuschen und dem winzigen Donnerschlag, der von den „Blitz“-Filamenten des Lasers erzeugt wird. Am Ende des Luftwellenleiters hielt der Laserpuls in der Mitte etwa 20 Prozent des Lichts zurück, das ohne den Wellenleiter verloren gegangen wäre.

Zurück im Labor untersuchte das Team auch einen kürzeren 8-Meter-Pneumatik-Hohlleiter, um Messungen von Prozessen durchzuführen, die im Atrium stattfanden, da sie nicht über die entsprechende Ausrüstung verfügten. Diese kürzeren Tests konnten 60 Prozent des Lichts zurückhalten, das sonst verloren gehen würde. Auch kleine Donnerschläge waren nützlich: Je aktiver der Waveguide war, desto lauter der Knall.

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Ihre Experimente zeigten, dass Wellenleiter extrem kurzlebig sind und nur Hunderte von Millisekunden dauern. Um etwas zu kanalisieren, das sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegt, ist diese Zeit jedoch reichlich vorhanden.

Die Forschung weist darauf hin, wo Verbesserungen vorgenommen werden können; Zum Beispiel sollte eine höhere Ausrichtungseffizienz und -länge zu weniger Lichtverlust führen. Das Team möchte auch mit verschiedenen Farben des Laserlichts und einer schnelleren Filamentpulsrate experimentieren, um zu sehen, ob sie einen kontinuierlichen Laserstrahl lenken können.

„Eine Reichweite von 50 Metern für Airwave Guides öffnet buchstäblich den Weg für längere Wellenleiter und viele Anwendungen“, sagt Milchberg.

„Basierend auf den neuen Lasern, die wir bald haben werden, haben wir das Rezept, um unsere Führungen auf einen Kilometer und mehr auszudehnen.“

Suche akzeptiert X körperliche Überprüfungund ist erhältlich unter arXiv.