Не в каждом университете лазерные импульсы, достаточно мощные, чтобы сжечь бумагу и кожу, проносятся по коридору. Но это то, что произошло в Центре энергетических исследований UMD, ничем не примечательном здании в северо-восточном углу кампуса.
На несколько ночей в 2021 году профессор физики UMD Говард Милхберг и его коллеги превратили коридор в лабораторию: блестящие поверхности дверей и водяной фонтан были закрыты, чтобы избежать нежелательных отражений, смежные коридоры были загорожены табличками, предупредительной лентой и специальными черными занавесками, поглощающими лазерное излучение, а научное оборудование и кабели располагались в обычно открытом прогулочном пространстве.
Когда члены команды приступили к работе, щелкающий звук предупредил об опасно мощном пути, проложенном лазером по коридору. Иногда путь луча заканчивался на белом керамическом блоке, наполняя воздух более громкими хлопками и металлическим привкусом. Каждую ночь исследователь сидел в одиночестве за компьютером в соседней лаборатории с рацией и выполнял требуемые настройки лазера.
Их работа была направлена на то, чтобы временно преобразовать разреженный воздух в оптоволоконный кабель или, точнее, в воздушный волновод, который направлял бы свет на десятки метров. Подобно одному из оптоволоконных интернет-кабелей, которые обеспечивают эффективные магистрали для потоков оптических данных, воздушный волновод прописывает путь для света. Эти воздушные волноводы имеют множество потенциальных применений, связанных со сбором или передачей света, таких как обнаружение света, излучаемого атмосферным загрязнением, дальняя лазерная связь или даже лазерное оружие. С воздушным волноводом нет необходимости разматывать сплошной кабель и учитывать ограничения гравитации; вместо этого кабель быстро теряет опору в воздухе. В статье, принятой к публикации в журнале Physical Review X команда описала, как они установили рекорд, направив свет в воздушные волноводы длиной 45 метров.
Без волоконно-оптических кабелей или волноводов световой луч — будь то лазер или фонарик — будет постоянно расширяться по мере своего продвижения. Если позволить бесконтрольному распространению, интенсивность луча может упасть до бесполезного уровня. Независимо от того, пытаетесь ли вы воссоздать научно-фантастический лазерный бластер или определить уровни загрязняющих веществ в атмосфере, накачивая их энергией с помощью лазера и улавливая испускаемый свет, важно обеспечить эффективную и концентрированную доставку света. Потенциальное решение для этой проблемы ограничения света — дополнительный свет — в форме ультракоротких лазерных импульсов.
Метод коротких импульсов использует способность лазера обеспечивать такую высокую интенсивность вдоль пути, называемого нитью накала, что он создает плазму — фазу вещества, в которой электроны отрываются от своих атомов. Этот энергетический путь нагревает воздух, поэтому он расширяется и оставляет после лазера путь из воздуха с низкой плотностью. Этот процесс напоминает крошечную версию молнии и грома, когда энергия молнии превращает воздух в плазму, которая взрывным образом расширяет воздух, создавая удары грома; хлопки, которые исследователи слышали на пути луча, были крошечными родственниками грома.
Но эти нити с низкой плотностью сами по себе не были тем, что нужно команде для управления лазером. Исследователям требовалось ядро высокой плотности (такое же, как у оптоволоконных кабелей для Интернета). Таким образом, они создали множество туннелей с низкой плотностью, которые естественным образом рассеиваются и сливаются в ров, окружающий более плотное ядро невозмущенного воздуха.
В ранних экспериментах 2014 года использовалась установка всего из четырех лазерных нитей накала, но в новом эксперименте использовалась новая лазерная установка, которая автоматически увеличивает количество нитей в зависимости от энергии лазера; нити естественным образом распределяются по кольцу.
Исследователи показали, что эта техника может увеличить длину воздушного волновода, увеличив мощность, которую они могут передать цели в конце коридора. В конце пути лазера волновод удержал около 20% света, который в противном случае был бы потерян из целевой области. Расстояние было примерно в 60 раз больше, чем их рекорд предыдущих экспериментов. Расчеты команды предполагают, что они еще не приблизились к теоретическому пределу метода, и они говорят, что в будущем с помощью этого метода можно будет легко достичь гораздо более высокой эффективности управления.
Исследователи также провели более короткие восьмиметровые тесты в лаборатории, где они более подробно исследовали физику процесса. В ходе более короткого теста им удалось доставить к цели около 60% потенциально потерянного света.
Хлопающий звук образования плазмы был использован в их тестах на практике. Помимо указания на то, где находился луч, он также предоставил исследователям данные. Они использовали линию из 64 микрофонов для измерения длины волновода и того, насколько сильным был волновод по его длине (больше энергии, затрачиваемой на создание волновода, приводит к более громкому хлопку).
Команда обнаружила, что волновод продержался всего сотые доли секунды, прежде чем раствориться в воздухе. Но это эоны для лазерных вспышек, которые исследователи посылали через него: за это время свет может пройти более 3000 км.
Основываясь на том, что исследователи узнали из своих экспериментов и моделирования, команда планирует эксперименты по дальнейшему увеличению длины и эффективности своих воздушных волноводов. Они также планируют направлять различные цвета света и исследовать, может ли более высокая частота повторения импульсов накала создать волновод для направления непрерывного мощного луча.
