Natuurkundigen breken het record voor het afvuren van lasers in hun universiteitsstraat: ScienceAlert

Natuurkundigen hebben zojuist een nieuw record gevestigd door een zelffocusserende laserpuls te beperken tot een luchtkooi, langs een 45 meter lange universiteitsgang.

Met eerdere resultaten tot ruim onder een meter, baant dit nieuwste experiment onder leiding van natuurkundige Howard Melchberg van de Universiteit van Maryland (UMD) nieuwe wegen voor het vangen van licht in kanalen die bekend staan ​​als luchtgolfgeleiders.

Een paper waarin het onderzoek wordt beschreven, is geaccepteerd in het tijdschrift X fysieke beoordeling, aIn de tussentijd zijn ze te vinden Op de arXiv prepress-server . De resultaten kunnen nieuwe manieren inspireren om op laser gebaseerde langeafstandscommunicatie of zelfs geavanceerde op laser gebaseerde wapentechnologie tot stand te brengen.

“Als we een langere ingang hadden gehad, laten onze resultaten zien dat we de laser hadden kunnen aanpassen om een ​​langere golfgeleider te hebben”, zegt hij. zegt UMD-natuurkundige Andrew Tartaro.

“Maar we kregen onze aanwijzing in onze lobby.”

Lasers kunnen nuttig zijn voor een reeks toepassingen, maar coherente lichtstralen moeten nauwkeurig worden gerangschikt Gedraaid en gefocust Op de een of andere manier. Aan zijn lot overgelaten, zal de laser verstrooien en zijn kracht en effectiviteit verliezen.

Een van deze scherpsteltechnieken is golfgeleideren dat is precies hoe het klinkt: het stuurt elektromagnetische golven in een specifiek pad, waardoor ze niet verstrooid raken.

Glasvezel is een voorbeeld. Deze bestaat uit een glazen buis waarlangs elektromagnetische golven worden geleid. Omdat de bekleding rond de buitenkant van de buis een lagere brekingsindex heeft dan het midden van de buis, wordt licht dat probeert te verstrooien in plaats daarvan door de buis gebogen, waardoor de straal langs zijn lengte wordt gehouden.

In 2014 demonstreerden Milchberg en zijn collega’s met succes wat zij atmosferische golfgeleiders noemen. In plaats van een fysieke structuur zoals een buis te gebruiken, gebruikten ze laserpulsen om hun laserlicht te synthetiseren. Ze ontdekten dat de gepulseerde laser plasma produceert dat de lucht in zijn kielzog verwarmt en een spoor van lucht met een lage dichtheid achterlaat. Het is als Bliksem En donder in het klein: uitzettende lucht met lage dichtheid klinkt als kleine donderslagen die de laser volgen, waardoor een zogenaamde gloeidraad ontstaat.

Minder dichte lucht heeft een lagere brekingsindex dan de lucht eromheen – dat is de bekleding rond een glasvezelbuis. Dus door deze filamenten in een specifieke configuratie te schieten die de laserstraal in het midden “vasthoudt”, ontstaat er effectief een golfgeleider uit lucht.

Voorlopige experimenten Beschreven in 2014 Maak een antennegolfgeleider van ongeveer 70 cm (2,3 ft) lang met behulp van vier filamenten. Om het experiment op te schalen, hadden ze meer leads nodig – en een veel langere tunnel naar beneden om hun lichten aan te doen, bij voorkeur zonder hun zware apparatuur te hoeven verplaatsen. Daarom werd een lange gang in de energieonderzoeksfaciliteit van UMD aangepast om een ​​veilige diffusie van de uitgezonden laser door een gat in de laboratoriummuur mogelijk te maken.

Gangingangen zijn geblokkeerd, glanzende oppervlakken zijn bedekt en laserabsorberende gordijnen zijn opgevouwen.

“Het was echt een unieke ervaring.” zegt elektrotechnisch ingenieur Andrew Goffin UMDeerste auteur op het teampapier.

“Er is veel laserbeeldvormingswerk buiten het lab waar je niet mee te maken hebt als je in het lab bent – zoals het ophangen van jaloezieën voor de veiligheid van de ogen. Het was absoluut stressvol.”

Eindelijk was het team in staat om een ​​golfgeleider te maken die een gang van 45 meter kan doorkruisen – vergezeld van knetter- en knalgeluiden en de kleine donderslag geproduceerd door de “bliksem” -filamenten van de laser. Aan het einde van de luchtgolfgeleider hield de laserpuls in het midden ongeveer 20 procent van het licht vast dat anders verloren zou zijn gegaan zonder de golfgeleider.

Terug in het lab bestudeerde het team ook een kortere 8 meter lange pneumatische golfgeleider om metingen te doen van processen die plaatsvonden in het atrium, omdat ze niet over de apparatuur beschikten om dat te doen. Deze kortere tests waren in staat om 60 procent van het licht vast te houden dat anders verloren zou gaan. Kleine donderslagen waren ook handig: hoe actiever de golfgeleider was, hoe luider de knal.

Hun experimenten onthulden dat golfgeleiders extreem kortstondig zijn en slechts honderden milliseconden duren. Maar om iets te channelen dat met de snelheid van het licht reist, is die tijd overvloedig.

Het onderzoek geeft aan waar verbeteringen mogelijk zijn; Een hoger richtrendement en een hogere lengte zouden bijvoorbeeld moeten resulteren in minder lichtverlies. Het team wil ook experimenteren met verschillende kleuren laserlicht en een snellere gloeidraadpuls, om te zien of ze een continue laserstraal kunnen richten.

“Reikwijdte van 50 meter voor luchtgolfgeleiders opent letterlijk de weg voor langere golfgeleiders en vele toepassingen”, zegt Milchberg.

“Op basis van de nieuwe lasers die we binnenkort zullen hebben, hebben we het recept om onze gidsen uit te breiden tot een kilometer en verder.”

Zoek geaccepteerd X fysieke beoordelingen is verkrijgbaar bij arXiv.