Um experimento com laser de 50 metros estabelece um recorde no corredor da universidade

Nem toda universidade tem pulsos de laser poderosos o suficiente para queimar papel e couro, os pulsos brilhantes sendo enviados pelo corredor. Mas foi o que aconteceu no Energy Research Facility da UMD, um prédio de aparência comum no canto nordeste do campus. Se você visitar o corredor utilitário agora cinza e branco, ele se parecerá com qualquer outro salão de faculdade – contanto que você não olhe atrás da placa de cortiça e localize a placa de metal cobrindo um buraco na parede.

Mas por algumas noites em 2021, o professor de física Howard Melchberg e seus colegas transformaram o corredor em um laboratório: as superfícies brilhantes das portas e o bebedouro foram cobertos para evitar reflexos potencialmente ofuscantes. Faixas conectadas à sinalização, fita isolante e privadas estão fechadas laser– Cortinas negras absorventes. Equipamentos científicos e cabos geralmente habitam espaços abertos para caminhadas.

Enquanto os membros da equipe faziam seu trabalho, um som crepitante alertou sobre o caminho perigosamente poderoso que o laser havia disparado no corredor. Às vezes, o vôo do feixe terminava em um bloco de cerâmica branca, enchendo o ar com batidas mais altas e um tom metálico. Todas as noites, o pesquisador sentava-se sozinho em um computador no laboratório adjacente com um walkie-talkie e fazia os ajustes necessários no laser.

Seus esforços consistiam em transformar temporariamente o ar rarefeito em fibras Cabo óptico—ou, mais especificamente, ar guia de onda— Isso direcionaria a luz por dezenas de metros. Como um dos cabos de internet de fibra ótica que fornecem estradas eficientes para fluxos de dados óticos, um guia de ondas atmosféricas descreve um caminho para a luz.

Esses guias de ondas aéreas têm muitas aplicações potenciais relacionadas à coleta ou transmissão de luz, como a detecção de luz emitida pela poluição atmosférica, comunicação a laser de longo alcance ou até mesmo armas a laser. Utilizando guias de ondas aéreas, não há necessidade de afrouxar os cabos rígidos e se preocupar com as restrições da gravidade; Em vez disso, o cabo se forma rapidamente sem suporte no ar.

Em artigo aceito para publicação na revista X revisão física A equipe descreve como estabeleceu um recorde ao direcionar a luz em ondas de 45 metros de comprimento e explica a física por trás de seu método.

Os pesquisadores realizaram alquimia atmosférica recorde à noite para evitar perturbar (ou tropeçar) colegas ou alunos desavisados ​​durante o dia de trabalho. Eles tiveram que obter seus procedimentos de segurança aprovados antes de poderem redirecionar a entrada.

“Foi uma experiência realmente única”, disse Andrew Goffin, um estudante de pós-graduação em engenharia elétrica e de computação da UMD que trabalhou no projeto e é o principal autor do artigo resultante na revista. “Existe muito trabalho envolvido nos lasers de imagem fora do laboratório e você não precisa lidar com isso quando está no laboratório – como colocar persianas para segurança dos olhos. Foi definitivamente estressante.”

Todo o trabalho foi descobrir os comprimentos que você poderia empurrar esta técnica. O laboratório de Milchberg mostrou anteriormente que um método semelhante funciona a distâncias inferiores a um metro. Mas os pesquisadores encontraram um obstáculo ao estender seus experimentos para dezenas de metros: seu laboratório é muito pequeno e mover o laser é impraticável. Assim, um buraco na parede e um corredor tornam-se um espaço de laboratório.

“Houve desafios significativos: a enorme escala de até 50 metros nos obrigou a reconsiderar a física básica da geração de guias de ondas atmosféricas, bem como o desejo de enviar laser de alta potência Descer uma galeria pública de 50 metros naturalmente leva a grandes problemas de segurança. “Felizmente, obtivemos uma excelente cooperação tanto da física quanto do Escritório de Segurança Ambiental de Maryland.”

Sem cabos de fibra ótica ou guias de onda, um raio de luz– seja de um laser ou de uma lanterna – ele se expandirá continuamente à medida que viaja. Se for permitido que o feixe se propague sem controle, a intensidade do feixe pode cair para níveis inúteis. Esteja você tentando recriar um lançador de laser de ficção científica ou detectar níveis de poluentes na atmosfera, bombeando-os com energia de laser e capturando a luz liberada, vale a pena garantir que a luz seja entregue com eficiência e foco.

A solução potencial de Milchberg para esse desafio de manter a luz confinada é a luz extra – na forma de pulsos de laser ultracurtos. Este projeto se baseia em trabalhos anteriores de 2014, onde seu laboratório mostrou que eles poderiam usar esses pulsos de laser para esculpir guias de onda no ar.

A técnica de pulso curto usa a capacidade de um laser de fornecer uma intensidade tão alta ao longo de um caminho, chamado filamento, que cria um plasma – uma fase da matéria em que os elétrons são arrancados de seus átomos. Esse caminho energético aquece o ar, então ele se expande e deixa um rastro de ar de baixa densidade no rastro do laser. O processo é como uma mini versão de iluminação e trovão em que a energia do raio transforma o ar em um plasma que expande explosivamente o ar, criando um trovão; Os estalos que os pesquisadores ouviram ao longo do caminho do feixe eram de primos menores das nuvens de tempestade.

Mas os caminhos do filamento de baixa densidade por si só não eram o que a equipe precisava para guiar o laser. Os pesquisadores queriam um núcleo de alta densidade (como cabos de fibra ótica para a Internet). Portanto, eles criaram um arranjo de múltiplos túneis de baixa densidade que se espalham naturalmente e se fundem em uma trincheira em torno de um núcleo mais denso de ar não perturbado.

Os experimentos de 2014 usaram um arranjo específico de apenas quatro fios de laser, mas o novo experimento fez uso de uma nova configuração de laser que dimensiona automaticamente o número de fios dependendo da potência do laser; Os fios são distribuídos naturalmente ao redor do anel.

Os pesquisadores mostraram que essa técnica pode estender o comprimento de um guia de onda atmosférico, aumentando a potência que pode fornecer a um alvo no final de um corredor. Na conclusão do vôo do laser, o guia de ondas reteve cerca de 20% da luz que, de outra forma, teria sido perdida na área alvo. A distância foi cerca de 60 vezes maior do que o registro de experimentos anteriores. Os cálculos da equipe indicam que ainda não estão próximos do limite teórico da técnica e dizem que eficiências de direção muito maiores devem ser alcançadas usando o método no futuro.

“Se tivéssemos uma entrada mais longa, nossos resultados mostram que poderíamos ter modificado o laser para ter um guia de onda mais longo”, diz Andrew Tartaro, estudante de pós-graduação em física da UMD que trabalhou no projeto e é autor do artigo. “Mas temos nossa pista bem no nosso saguão.”

Os pesquisadores também realizaram testes mais curtos de oito metros no laboratório, onde examinaram a física em jogo no processo com mais detalhes. Para o teste mais curto, eles conseguiram fornecer cerca de 60% da luz potencialmente perdida para o alvo.

O som de estalo do Plasma Formation foi praticamente usado em seus testes. Além de ser uma indicação de onde estava o feixe, também fornecia dados aos pesquisadores. Eles usaram uma linha de 64 microfones para medir o comprimento do guia de ondas e a força do guia de ondas ao longo de seu comprimento (mais energia necessária para fazer o guia de ondas se traduz em um estalo mais alto).

A equipe descobriu que o guia de ondas durou apenas milissegundos antes de se dissipar no ar. Mas isso é uma eternidade para as rajadas de laser pelas quais os pesquisadores os enviaram: a luz pode viajar mais de 3.000 quilômetros nesse tempo.

Com base no que os pesquisadores aprenderam com seus experimentos e simulações, a equipe planeja realizar experimentos para melhorar o comprimento e a eficiência de seus guias de ondas aéreas. Eles também planejam direcionar diferentes cores de luz e investigar se uma taxa de repetição de pulso de filamento mais rápida pode produzir um guia de onda para direcionar um feixe contínuo de alta energia.

“Ter uma escala de 50 metros para guias de onda literalmente estimula o caminho para guias de onda mais longos e muitas outras aplicações”, diz Melchberg. “Com base nos novos lasers que teremos em breve, temos a receita para estender nossos guias até um quilômetro e além.”