Ένα πείραμα λέιζερ 50 μέτρων σημειώνει ρεκόρ στον διάδρομο του πανεπιστημίου

Δεν έχει κάθε πανεπιστήμιο παλμούς λέιζερ αρκετά ισχυρούς ώστε να καίει χαρτί και δέρμα, ενώ οι λαμπεροί παλμοί στέλνονται στο διάδρομο. Αλλά αυτό συνέβη στην Ενεργειακή Ερευνητική Εγκατάσταση του UMD, ένα απαράμιλλο κτίριο στη βορειοανατολική γωνία της πανεπιστημιούπολης. Αν επισκεφτείτε την πλέον γκρίζα και λευκή χρηστική αίθουσα, θα μοιάζει με οποιαδήποτε άλλη αίθουσα του πανεπιστημίου – αρκεί να μην κορυφωθείτε πίσω από τη σανίδα από φελλό και να εντοπίσετε τη μεταλλική πλάκα να καλύπτει μια τρύπα στον τοίχο.

Αλλά για μερικές νύχτες το 2021, ο καθηγητής φυσικής του UMD, Howard Melchberg και οι συνεργάτες του μετέτρεψαν το διάδρομο σε εργαστήριο: Οι γυαλιστερές επιφάνειες των θυρών και της βρύσης καλύφθηκαν για να αποφευχθούν οι δυνητικά εκτυφλωτικές αντανακλάσεις. Οι λωρίδες που συνδέονται με σήμανση, ταινία προσοχής και ιδιωτικές είναι κλειστές λέιζερ– Απορροφώντας μαύρες κουρτίνες. Ο επιστημονικός εξοπλισμός και τα καλώδια κατοικούν συνήθως σε ανοιχτούς χώρους περιπάτου.

Ενώ τα μέλη της ομάδας έκαναν τη δουλειά τους, ένας ήχος τριξίματος προειδοποίησε για την επικίνδυνα ισχυρή διαδρομή που είχε καταρρίψει το λέιζερ στην αίθουσα. Μερικές φορές η πτήση της δέσμης τελείωνε σε ένα λευκό κεραμικό μπλοκ, γεμίζοντας τον αέρα με πιο δυνατούς ρυθμούς και έναν μεταλλικό τόνο. Κάθε βράδυ, ο ερευνητής καθόταν μόνος του σε έναν υπολογιστή στο διπλανό εργαστήριο με φορητό φορητό ραδιόφωνο και έκανε τις απαιτούμενες προσαρμογές στο λέιζερ.

Οι προσπάθειές τους συνίστατο στο να μετατρέψουν προσωρινά τον αέρα σε ίνες οπτικό καλώδιο—ή, πιο συγκεκριμένα, αέρα οδηγός κύματος—Αυτό θα κατευθύνει το φως για δεκάδες μέτρα. Όπως ένα από τα καλώδια Διαδικτύου με οπτικές ίνες που παρέχει αποτελεσματικούς αυτοκινητόδρομους για ροές οπτικών δεδομένων, ο εναέριος οδηγός περιγράφει μια διαδρομή για το φως.

Αυτοί οι αεροκυματοδηγοί έχουν πολλές πιθανές εφαρμογές που σχετίζονται με τη συλλογή ή τη μετάδοση φωτός, όπως η ανίχνευση φωτός που εκπέμπεται από την ατμοσφαιρική ρύπανση, η επικοινωνία λέιζερ μεγάλης εμβέλειας ή ακόμα και τα όπλα λέιζερ. Χρησιμοποιώντας κυματοδηγούς αέρα, δεν χρειάζεται να χαλαρώσετε τα άκαμπτα καλώδια και να νοιάζεστε για τους περιορισμούς της βαρύτητας. Αντίθετα, το καλώδιο σχηματίζεται γρήγορα χωρίς υποστήριξη στον αέρα.

Σε μια εργασία που έγινε δεκτή για δημοσίευση στο περιοδικό Χ φυσική αναθεώρηση Η ομάδα περιγράφει πώς σημείωσε ένα ρεκόρ κατευθύνοντας φως σε ραδιοκύματα μήκους 45 μέτρων και εξηγεί τη φυσική πίσω από τη μέθοδό τους.

Οι ερευνητές έκαναν ρεκόρ ατμοσφαιρικής αλχημείας τη νύχτα για να αποφύγουν να ενοχλήσουν (ή να σκοντάψουν) ανυποψίαστους συναδέλφους ή μαθητές κατά τη διάρκεια της εργάσιμης ημέρας. Έπρεπε να εγκρίνουν τις διαδικασίες ασφαλείας τους προτού μπορέσουν να επαναπροσδιορίσουν την είσοδο.

«Ήταν μια πραγματικά μοναδική εμπειρία», είπε ο Andrew Goffin, ένας μεταπτυχιακός φοιτητής ηλεκτρολόγων και μηχανικών υπολογιστών από το UMD που εργάστηκε στο έργο και είναι ο κύριος συγγραφέας του άρθρου που προέκυψε στο περιοδικό. “Υπάρχει πολλή δουλειά που πηγαίνει στην απεικόνιση λέιζερ εκτός εργαστηρίου και δεν χρειάζεται να την αντιμετωπίσετε όταν βρίσκεστε στο εργαστήριο – όπως η τοποθέτηση περσίδων για την ασφάλεια των ματιών. Ήταν σίγουρα αγχωτικό.”

Όλη η δουλειά ήταν να υπολογίσετε τα μήκη που θα μπορούσατε να πιέσετε αυτή την τεχνική. Το εργαστήριο του Milchberg έχει δείξει στο παρελθόν ότι μια παρόμοια μέθοδος λειτουργεί σε αποστάσεις μικρότερες από ένα μέτρο. Αλλά οι ερευνητές συνάντησαν ένα εμπόδιο στην επέκταση των πειραμάτων τους σε δεκάδες μέτρα: το εργαστήριό τους είναι πολύ μικρό και η μετακίνηση του λέιζερ δεν είναι πρακτική. Έτσι, μια τρύπα στον τοίχο και ένας διάδρομος γίνονται εργαστηριακός χώρος.

«Υπήρχαν σημαντικές προκλήσεις: η τεράστια κλίμακα μέχρι τα 50 μέτρα μας ανάγκασε να επανεξετάσουμε τη βασική φυσική της παραγωγής ατμοσφαιρικών κυματοδηγών, καθώς και την επιθυμία να στείλουμε Λέιζερ υψηλής ισχύος Κάτω από μια δημόσια γκαλερί 50 μέτρων οδηγεί φυσικά σε μεγάλα ζητήματα ασφάλειας. «Ευτυχώς, είχαμε εξαιρετική συνεργασία τόσο από τη φυσική όσο και από το Γραφείο Περιβαλλοντικής Ασφάλειας του Μέριλαντ».

Χωρίς καλώδια οπτικών ινών ή κυματοδηγούς, α ακτίνα φωτός– είτε από λέιζερ είτε από φακό – θα επεκτείνεται συνεχώς καθώς ταξιδεύει. Εάν η δέσμη αφεθεί να διαδοθεί χωρίς έλεγχο, η ένταση της δέσμης μπορεί να πέσει σε μη χρήσιμα επίπεδα. Είτε προσπαθείτε να αναδημιουργήσετε έναν εκτοξευτήρα λέιζερ επιστημονικής φαντασίας είτε να ανιχνεύσετε επίπεδα ρύπων στην ατμόσφαιρα αντλώντας τους γεμάτους ενέργεια με λέιζερ και συλλαμβάνοντας το φως που απελευθερώνεται, αξίζει να διασφαλίσετε ότι το φως μεταδίδεται αποτελεσματικά και εστιασμένο.

Η πιθανή λύση του Milchberg σε αυτήν την πρόκληση του περιορισμού του φωτός είναι το επιπλέον φως — με τη μορφή υπερμικρών παλμών λέιζερ. Αυτό το έργο βασίζεται σε παλαιότερες εργασίες του 2014, όπου το εργαστήριό του έδειξε ότι μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν αυτούς τους παλμούς λέιζερ για να σμιλεύσουν κυματοδηγούς στον αέρα.

Η τεχνική βραχέων παλμών χρησιμοποιεί την ικανότητα ενός λέιζερ να παρέχει τόσο υψηλή ένταση κατά μήκος μιας διαδρομής, που ονομάζεται νήμα, που δημιουργεί ένα πλάσμα – μια φάση της ύλης όπου τα ηλεκτρόνια σκίζονται από τα άτομά τους. Αυτή η ενεργειακή οδός θερμαίνει τον αέρα, έτσι διαστέλλεται και αφήνει ένα ίχνος αέρα χαμηλής πυκνότητας στο πέρασμα του λέιζερ. Η διαδικασία είναι σαν μια μίνι εκδοχή φωτισμού και βροντής στην οποία η ενέργεια του μπουλονιού μετατρέπει τον αέρα σε πλάσμα που διαστέλλει εκρηκτικά τον αέρα, δημιουργώντας έναν κεραυνό. Οι ήχοι που άκουσαν οι ερευνητές κατά μήκος της διαδρομής της δέσμης ήταν από τα μικρότερα ξαδέρφια των κεραυνών.

Αλλά οι διαδρομές νήματος χαμηλής πυκνότητας από μόνες τους δεν ήταν αυτό που χρειαζόταν η ομάδα για να καθοδηγήσει το λέιζερ. Οι ερευνητές ήθελαν έναν πυρήνα υψηλής πυκνότητας (όπως καλώδια οπτικών ινών για το Διαδίκτυο). Ως εκ τούτου, δημιούργησαν μια διάταξη πολλαπλών σηράγγων χαμηλής πυκνότητας που εξαπλώνονται φυσικά και συγχωνεύονται σε μια τάφρο που περιβάλλει έναν πυκνότερο πυρήνα αδιατάρακτου αέρα.

Τα πειράματα του 2014 χρησιμοποιούσαν μια συγκεκριμένη διάταξη μόνο τεσσάρων νημάτων λέιζερ, αλλά το νέο πείραμα χρησιμοποίησε μια νέα διάταξη λέιζερ που κλιμακώνει αυτόματα τον αριθμό των νημάτων ανάλογα με την ισχύ του λέιζερ. Τα νήματα κατανέμονται φυσικά γύρω από τον δακτύλιο.

Οι ερευνητές έδειξαν ότι αυτή η τεχνική μπορεί να επεκτείνει το μήκος ενός ατμοσφαιρικού κυματοδηγού, αυξάνοντας την ισχύ που μπορεί να προσφέρει σε έναν στόχο στο τέλος ενός διαδρόμου. Στο τέλος της πτήσης με λέιζερ, ο κυματοδηγός διατήρησε περίπου το 20% του φωτός που διαφορετικά θα είχε χαθεί από την περιοχή στόχο. Η απόσταση ήταν περίπου 60 φορές μεγαλύτερη από το ρεκόρ του από προηγούμενα πειράματα. Οι υπολογισμοί της ομάδας δείχνουν ότι δεν είναι ακόμη κοντά στο θεωρητικό όριο της τεχνολογίας και λένε ότι θα πρέπει να επιτευχθούν πολύ υψηλότερες αποδόσεις διεύθυνσης χρησιμοποιώντας τη μέθοδο στο μέλλον.

«Αν είχαμε μεγαλύτερη είσοδο, τα αποτελέσματά μας δείχνουν ότι θα μπορούσαμε να έχουμε τροποποιήσει το λέιζερ για να έχουμε μεγαλύτερο κυματοδηγό», λέει ο Andrew Tartaro, μεταπτυχιακός φοιτητής φυσικής του UMD που εργάστηκε στο έργο και είναι συγγραφέας στο χαρτί. «Αλλά πήραμε την ιδέα μας στο λόμπι μας».

Οι ερευνητές διεξήγαγαν επίσης μικρότερες δοκιμές οκτώ μέτρων στο εργαστήριο, όπου εξέτασαν τη φυσική που έπαιζε στη διαδικασία με περισσότερες λεπτομέρειες. Για τη συντομότερη δοκιμή, μπόρεσαν να παραδώσουν περίπου το 60% του δυνητικά χαμένου φωτός στον στόχο τους.

Ο ήχος που σκάει το Plasma Formation χρησιμοποιήθηκε πρακτικά στις δοκιμές τους. Εκτός από ένδειξη για το πού βρισκόταν η δέσμη, παρείχε επίσης στους ερευνητές δεδομένα. Χρησιμοποίησαν μια γραμμή 64 μικροφώνων για να μετρήσουν το μήκος του κυματοδηγού και πόσο δυνατός ήταν ο κυματοδηγός σε όλο το μήκος του (περισσότερη ενέργεια που χρειάζεται για να γίνει ο κυματοδηγός μεταφράζεται σε πιο δυνατό κροτάλισμα).

Η ομάδα διαπίστωσε ότι ο κυματοδηγός διήρκεσε μόνο για χιλιοστά του δευτερολέπτου προτού διαλυθεί ξανά στον αέρα. Αλλά αυτοί είναι αιώνες για τις εκρήξεις λέιζερ που τους έστελναν οι ερευνητές: το φως μπορεί να ταξιδέψει περισσότερα από 3.000 χιλιόμετρα σε αυτό το διάστημα.

Με βάση τα όσα έμαθαν οι ερευνητές από τα πειράματά τους και τις προσομοιώσεις τους, η ομάδα σχεδιάζει να πραγματοποιήσει πειράματα για να βελτιώσει το μήκος και την αποτελεσματικότητα των αεραγωγών τους. Σκοπεύουν επίσης να κατευθύνουν διαφορετικά χρώματα φωτός και να διερευνήσουν εάν ένας ταχύτερος ρυθμός επανάληψης παλμού νήματος μπορεί να παράγει έναν κυματοδηγό για την κατεύθυνση μιας συνεχούς δέσμης υψηλής ενέργειας.

«Έχοντας μια κλίμακα 50 μέτρων για κυματοδηγούς κυριολεκτικά ωθείται η διαδρομή για μεγαλύτερους κυματοδηγούς και πολλές περισσότερες εφαρμογές», λέει ο Melchberg. «Με βάση τα νέα λέιζερ που θα έχουμε σύντομα, έχουμε τη συνταγή για την επέκταση των οδηγών μας σε ένα χιλιόμετρο και πέρα».