<
div>
In een experiment wordt een laser door een UMD-gang gestuurd om licht te bundelen terwijl het een reis van 45 meter maakt. Krediet: Intense Laser-Matter Interactions Lab, UMD
Het is niet op elke universiteit dat laserpulsen die krachtig genoeg zijn om papier en huid te verbranden, door een gang worden gestuurd. Maar dat is wat er gebeurde in de Energy Research Facility van UMD, een onopvallend ogend gebouw in de noordoostelijke hoek van de campus. Als je nu de utilitaire wit-grijze hal bezoekt, lijkt het net een andere universiteitshal – zolang je niet achter een kurken bord gluurt en de metalen plaat ziet die een gat in de muur bedekt.
Maar gedurende een paar nachten in 2021 transformeerden UMD-fysicaprofessor Howard Milchberg en zijn collega’s de gang in een laboratorium: de glanzende oppervlakken van de deuren en een waterfontein waren bedekt om mogelijk verblindende reflecties te voorkomen; verbindingsgangen waren afgesloten met borden, waarschuwingstape en speciale laserabsorberende zwarte gordijnen; en wetenschappelijke apparatuur en kabels bewoonden normaal open loopruimte.
Terwijl leden van het team aan het werk waren, waarschuwde een knappend geluid voor het gevaarlijk krachtige pad dat de laser door de gang schoot. Soms eindigde de reis van de straal bij een wit keramisch blok, dat de lucht vulde met luidere knallen en een metaalachtige zweem. Elke avond zat een onderzoeker alleen achter een computer in het aangrenzende lab met een walkietalkie en voerde de gevraagde aanpassingen aan de laser uit.
Van links naar rechts: Eric Rosenthal, een natuurkundige bij het US Naval Research Laboratory; Anthony Valenzuela, een natuurkundige bij het US Army Research Lab; en Andrew Goffin, een UMD-student elektrotechniek en computertechniek, richt de optica op een patrijspoort in de muur om de laserstraal van het laboratorium door de gang te sturen. Krediet: Intense Laser-Matter Interactions Lab, UMD
Hun inspanningen waren om ijle lucht tijdelijk te transformeren in een glasvezelkabel – of, meer specifiek, een luchtgolfgeleider – die licht tientallen meters zou geleiden. Net als een van de glasvezel-internetkabels die efficiënte snelwegen bieden voor stromen optische gegevens, schrijft een luchtgolfgeleider een pad voor licht voor. Deze luchtgolfgeleiders hebben veel potentiële toepassingen met betrekking tot het verzamelen of verzenden van licht, zoals het detecteren van licht dat wordt uitgezonden door atmosferische vervuiling, lasercommunicatie over lange afstanden of zelfs laserwapens. Met een luchtgolfgeleider hoeft u geen massieve kabel af te spoelen en hoeft u zich geen zorgen te maken over de beperkingen van de zwaartekracht; in plaats daarvan vormt de kabel zich snel niet-ondersteund in de lucht. In een paper geaccepteerd voor publicatie in het tijdschrift Fysieke beoordeling X het team beschreef hoe ze een record vestigden door licht te geleiden in 45 meter lange luchtgolfgeleiders en legde de fysica achter hun methode uit.
De onderzoekers voerden hun recordbrekende atmosferische alchemie ‘s nachts uit om te voorkomen dat ze collega’s of nietsvermoedende studenten hinderden (of zappen) tijdens de werkdag. Ze moesten hun veiligheidsprocedures laten goedkeuren voordat ze de gang een nieuwe bestemming konden geven.
« Het was echt een unieke ervaring », zegt Andrew Goffin, een UMD-student elektrotechniek en computertechniek die aan het project werkte en hoofdauteur is van het resulterende tijdschriftartikel. “Er gaat veel werk zitten in het fotograferen van lasers buiten het lab waar je niet mee te maken hebt als je in het lab bent, zoals het ophangen van gordijnen voor de veiligheid van de ogen. Het was zeker vermoeiend.”
Verdelingen van het laserlicht verzameld na de gangreis zonder golfgeleider (links) en met golfgeleider (rechts). Krediet: Intense Laser-Matter Interactions Lab, UMD
Al het werk was om te zien hoe ver ze de techniek konden pushen. Eerder toonde het laboratorium van Milchberg aan dat een vergelijkbare methode werkte voor afstanden van minder dan een meter. Maar de onderzoekers stuitten op een obstakel bij het uitbreiden van hun experimenten tot tientallen meters: hun laboratorium is te klein en het verplaatsen van de laser is onpraktisch. Zo wordt een gat in de muur en een gang labruimte.
« Er waren grote uitdagingen: de enorme schaalvergroting tot 50 meter dwong ons om de fundamentele fysica van het genereren van luchtgolfgeleiders te heroverwegen, plus de wens om een krachtige laser door een 50 meter lange openbare gang te sturen, veroorzaakt natuurlijk grote veiligheidsproblemen. ‘ zegt Milchberg. « Gelukkig kregen we uitstekende medewerking van zowel de fysica als van het milieuveiligheidsbureau in Maryland! »
Zonder glasvezelkabels of golfgeleiders zal een lichtstraal, of het nu van een laser of een zaklamp is, tijdens het reizen continu uitzetten. Als de straal zich ongecontroleerd mag verspreiden, kan de intensiteit van een straal dalen tot onbruikbare niveaus. Of u nu probeert een sciencefiction-laserblaster na te maken of niveaus van verontreinigende stoffen in de atmosfeer te detecteren door ze vol energie te pompen met een laser en het vrijgekomen licht op te vangen, het loont de moeite om te zorgen voor een efficiënte, geconcentreerde levering van het licht.
Milchbergs mogelijke oplossing voor deze uitdaging om licht beperkt te houden, is extra licht – in de vorm van ultrakorte laserpulsen. Dit project bouwde voort eerder werk uit 2014 waarin zijn laboratorium aantoonde dat ze dergelijke laserpulsen konden gebruiken om golfgeleiders in de lucht te vormen.
De korte pulstechniek maakt gebruik van het vermogen van een laser om langs een pad, een filament genaamd, zo’n hoge intensiteit te leveren dat het een <span class= »glossaryLink » aria-describedby= »tt » data-cmtooltip= »
plasma
Plasma is een van de vier fundamentele toestanden van materie, samen met vast, vloeibaar en gas. Het is een geïoniseerd gas dat bestaat uit positieve ionen en vrije elektronen. Het werd voor het eerst beschreven door chemicus Irving Langmuir in de jaren 1920.
” data-gt-translate-attributen=”[{“attribute”:”data-cmtooltip”, “format”:”html”}]”>plasma – een fase van materie waar elektronen losgescheurd zijn van hun atomen. Dit energetische pad verwarmt de lucht, zodat het uitzet en een pad van lucht met een lage dichtheid achterlaat in het kielzog van de laser. Dit proces lijkt op een kleine versie van bliksem en donder waarbij de energie van de bliksemschicht de lucht verandert in een plasma dat de lucht explosief uitzet, waardoor de donderslag ontstaat; de knallende geluiden die de onderzoekers langs het straalpad hoorden, waren de kleine neefjes van de donder.
Maar deze filamentpaden met een lage dichtheid waren op zichzelf niet wat het team nodig had om een laser te geleiden. De onderzoekers wilden een kern met hoge dichtheid (hetzelfde als glasvezelkabels voor internet). Dus creëerden ze een opstelling van meerdere tunnels met een lage dichtheid die van nature diffunderen en samenvloeien in een gracht die een dichtere kern van onverstoorde lucht omringt.
De experimenten van 2014 gebruikten een vaste opstelling van slechts vier laserfilamenten, maar het nieuwe experiment profiteerde van een nieuwe laseropstelling die automatisch het aantal filamenten opschaalt, afhankelijk van de laserenergie; de filamenten verdelen zich op natuurlijke wijze rond een ring.
De onderzoekers toonden aan dat de techniek de lengte van de luchtgolfgeleider kon verlengen, waardoor de kracht die ze konden leveren aan een doelwit aan het einde van de gang, toenam. Aan het einde van de reis van de laser had de golfgeleider ongeveer 20% van het licht dat anders verloren zou zijn gegaan, uit hun doelgebied gehouden. De afstand was ongeveer 60 keer verder dan hun record van eerdere experimenten. De berekeningen van het team suggereren dat ze nog niet in de buurt van de theoretische limiet van de techniek zijn, en ze zeggen dat veel hogere geleidingsefficiënties in de toekomst gemakkelijk haalbaar zouden moeten zijn met de methode.
« Als we een langere gang hadden gehad, laten onze resultaten zien dat we de laser hadden kunnen aanpassen voor een langere golfgeleider », zegt Andrew Tartaro, een afgestudeerde UMD-student natuurkunde die aan het project werkte en auteur is van het artikel. « Maar we hebben onze gids goed voor de gang die we hebben. »
De onderzoekers deden ook kortere tests van acht meter in het laboratorium, waar ze de fysica die zich in het proces afspeelt, in meer detail onderzochten. Voor de kortere test slaagden ze erin om ongeveer 60% van het potentieel verloren licht op hun doelwit af te leveren.
Het knallende geluid van de plasmavorming werd praktisch gebruikt in hun tests. Behalve dat het een indicatie was van waar de straal was, leverde het de onderzoekers ook gegevens op. Ze gebruikten een lijn van 64 microfoons om de lengte van de golfgeleider te meten en hoe sterk de golfgeleider over de lengte was (meer energie die in het maken van de golfgeleider gaat, vertaalt zich in een luidere knal).
Het team ontdekte dat de golfgeleider slechts honderdsten van een seconde duurde voordat hij weer in het niets verdween. Maar dat zijn eonen voor de laseruitbarstingen die de onderzoekers er doorheen stuurden: licht kan in die tijd meer dan 3.000 km afleggen.
Op basis van wat de onderzoekers hebben geleerd van hun experimenten en simulaties, plant het team experimenten om de lengte en efficiëntie van hun luchtgolfgeleiders verder te verbeteren. Ze zijn ook van plan om verschillende kleuren licht te geleiden en om te onderzoeken of een snellere herhalingssnelheid van de filamentpuls een golfgeleider kan produceren om een continue krachtige straal te kanaliseren.
« Het bereiken van de schaal van 50 meter voor luchtgolfgeleiders baant letterlijk de weg vrij voor nog langere golfgeleiders en vele toepassingen », zegt Milchberg. « Op basis van nieuwe lasers die we binnenkort zullen krijgen, hebben we het recept om onze gidsen uit te breiden tot een kilometer en verder. »
Referentie: « Optical guidance in 50-meter-scale air waveguides » door A. Goffin, I. Larkin, A. Tartaro, A. Schweinsberg, A. Valenzuela, E. W. Rosenthal en H. M. Milchberg, 23 januari 2023, Fysieke beoordeling X.
DOI: 10.1103/PhysRevX.13.011006
