Фізики побили рекорд, випустивши лазер по коридору
Фізики встановили новий рекорд, обмеживши самосфокусований лазерний імпульс у клітці з повітрям по довжині 45-метрового університетського коридору.
Оскільки попередні результати значно менші за метр, цей новітній експеримент під керівництвом фізика Говарда Мілчберга з Університету Меріленда (UMD) відкриває нові основи для обмеження світла каналами, відомими як повітряні хвилеводи.
Стаття з описом дослідження була прийнята до журналу Physical Review X, а тим часом її можна знайти на сервері препринтів arXiv . Результати можуть надихнути на нові способи досягнення дальнього зв’язку на основі лазерів або навіть передової технології лазерної зброї.
«Якби у нас був довший коридор, наші результати показують, що ми могли б налаштувати лазер на довший хвилевід», — каже фізик UMD Ендрю Тартаро .
«Але ми правильно підібрали гіда для коридору, який у нас є».
Лазери можуть бути корисними для цілого ряду застосувань, але когерентні промені акуратно організованого світла потрібно певним чином зібрати та сфокусувати . Залишений напризволяще, лазер розсіюється, втрачаючи потужність і ефективність.
Одним із таких методів фокусування є хвилевід , і це саме те, що він звучить: він спрямовує електромагнітні хвилі певним шляхом, запобігаючи їх розсіюванню.
Одним із прикладів є оптичне волокно . Він складається зі скляної трубки, по якій спрямовані електромагнітні хвилі. Оскільки оболонка навколо зовнішньої сторони труби має нижчий показник заломлення, ніж центр труби, світло, яке намагається розсіятися, натомість згинається назад у трубку, зберігаючи промінь уздовж її довжини.
У 2014 році Мільхберг і його колеги успішно продемонстрували те, що вони назвали повітряним хвилеводом. Замість того, щоб використовувати фізичну конструкцію, таку як трубка, вони використовували лазерні імпульси, щоб зібрати своє лазерне світло. Вони виявили, що імпульсний лазер створює плазму, яка нагріває повітря, залишаючи за собою шлях повітря меншої щільності. Це як блискавка й грім у мініатюрі: повітря з низькою щільністю, що розширюється, створює звук, схожий на крихітний удар грому, що слідує за лазером, утворюючи так звану нитку.
Повітря меншої щільності має нижчий показник заломлення, ніж повітря навколо нього – як оболонка навколо оптичної трубки. Таким чином, випалювання цих ниток у певній конфігурації, яка «закриває» лазерний промінь у центрі, ефективно створює хвилевід із повітря.
Початкові експерименти , описані у 2014 році , створили повітряний хвилевід довжиною близько 70 сантиметрів (2,3 фута) за допомогою чотирьох ниток. Щоб збільшити масштаби експерименту, їм знадобилося більше ниток розжарення — і набагато довший тунель, у який можна було б просвічувати світло, бажано без необхідності переміщати важке обладнання. Таким чином, довгий коридор у Центрі енергетичних досліджень UMD, змінений, щоб забезпечити безпечне розповсюдження лазерів, що випромінюються через отвір у стіні лабораторії.
Входи в коридори були перекриті, блискучі поверхні покриті, розгорнуті лазеропоглинаючі штори.
«Це був дійсно унікальний досвід, — каже інженер-електрик UMD Ендрю Гоффен , перший автор статті команди.
«Зйомка лазерів за межами лабораторії потребує багато роботи, з якою вам не потрібно мати справу, коли ви в лабораторії, наприклад, навішувати штори для безпеки очей. Це, безперечно, було втомливо».
Нарешті команда змогла створити хвилевід, здатний подолати 45-метровий коридор – супроводжуваний тріском, тріском, крихітними ударами грому, створюваними їхньою лазерною ниткою «блискавки». На кінці повітряного хвилеводу лазерний імпульс у центрі зберіг близько 20 відсотків світла, яке інакше було б втрачено без хвилеводу.
Повернувшись у лабораторію, команда також вивчила коротший 8-метровий повітряний хвилевід, щоб провести вимірювання процесів, які відбувалися в коридорі, де у них не було обладнання для цього. Ці коротші тести змогли зберегти 60 відсотків світла, яке було б втрачено. Крихітні удари грому також були корисні: чим енергійніший хвилевід, тим гучніший хлопок.
Їхні експерименти показали, що хвилевід надзвичайно швидкоплинний і триває лише соті частки секунди. Однак, щоб керувати чимось, що рухається зі швидкістю світла, цього часу достатньо.
Дослідження показує, де можна зробити покращення; наприклад, більша ефективність і довжина напрямних мають призвести до ще меншої втрати світла. Команда також хоче спробувати різні кольори лазерного світла та швидшу частоту імпульсів нитки, щоб перевірити, чи зможуть вони направляти безперервний лазерний промінь.
«Досягнення 50-метрової шкали для повітряних хвилеводів буквально відкриває шлях для ще довших хвилеводів і багатьох застосувань», — каже Мілхберг .
«На основі нових лазерів, які ми незабаром отримаємо, у нас є рецепт розширити наші напрямні до одного кілометра і більше».
