Un esperimento laser di 50 metri stabilisce un record nel corridoio dell’università

Un laser viene inviato attraverso il corridoio UMD in un esperimento per bloccare la luce mentre compie il suo volo di 45 metri. Credito: laboratorio di interazioni laser intense, UMD

Non tutte le università hanno impulsi laser abbastanza potenti da bruciare carta e pelle, gli impulsi luminosi vengono inviati lungo il corridoio. Ma è quello che è successo all’Energy Research Facility di UMD, un edificio dall’aspetto insignificante nell’angolo nord-est del campus. Se visiti l’aula funzionale ora grigia e bianca, sembrerà una qualsiasi altra aula universitaria, a patto che tu non sbirci dietro la bacheca di sughero e trovi la piastra di metallo che copre un buco nel muro.


Ma per alcune notti nel 2021, il professore di fisica dell’UMD Howard Melchberg e i suoi colleghi hanno trasformato il corridoio in un laboratorio: le superfici lucide delle porte e della fontana sono state coperte per evitare riflessi potenzialmente accecanti; Le corsie collegate a segnaletica, nastro di avvertenza e private sono chiuse laser– Assorbimento delle tende nere. Le attrezzature ei cavi scientifici di solito abitano spazi aperti per camminare.

Mentre i membri del team stavano svolgendo il loro lavoro, un suono scoppiettante avvertì del percorso pericolosamente potente che il laser aveva lanciato lungo il corridoio. A volte il volo del raggio terminava su un blocco di ceramica bianca, riempiendo l’aria di battiti più forti e di un tono metallico. Ogni notte, il ricercatore si sedeva da solo davanti a un computer nel laboratorio adiacente con un walkie-talkie acceso e apportava le regolazioni necessarie al laser.

I loro sforzi consistevano nel trasformare temporaneamente l’aria sottile in fibre cavo ottico— o, più specificamente, aria guida d’onda—Questo dirigerebbe la luce per decine di metri. Come uno dei cavi Internet in fibra ottica che forniscono autostrade efficienti per flussi di dati ottici, l’airwaveguide descrive un percorso per la luce.

Queste guide d’onda aeree hanno molte potenziali applicazioni legate alla raccolta o alla trasmissione della luce, come il rilevamento della luce emessa dall’inquinamento atmosferico, la comunicazione laser a lungo raggio o persino le armi laser. Utilizzando le guide d’onda aeree, non è necessario allentare i cavi rigidi e preoccuparsi delle restrizioni di gravità; Invece, il cavo si forma rapidamente senza supporto nell’aria.

In un articolo accettato per la pubblicazione sulla rivista X revisione fisica Il team descrive come hanno stabilito un record guidando la luce in onde radio lunghe 45 metri e spiegano la fisica alla base del loro metodo.

I ricercatori hanno condotto un’alchimia atmosferica da record durante la notte per evitare di disturbare (o far inciampare) ignari colleghi o studenti durante la giornata lavorativa. Dovevano far approvare le loro procedure di sicurezza prima di poter riutilizzare l’ingresso.

“È stata un’esperienza davvero unica”, ha affermato Andrew Goffin, uno studente laureato in ingegneria elettrica e informatica presso UMD che ha lavorato al progetto ed è l’autore principale dell’articolo risultante sulla rivista. “C’è molto lavoro da fare con i laser di imaging al di fuori del laboratorio e non devi occupartene quando sei in laboratorio, come mettere le tende per la sicurezza degli occhi. È stato decisamente stressante.”

Tutto il lavoro è stato capire fino a che punto potresti spingere questa tecnica. Il laboratorio di Milchberg ha precedentemente dimostrato che un metodo simile funziona a distanze inferiori a un metro. Ma i ricercatori hanno incontrato un ostacolo nell’estendere i loro esperimenti a decine di metri: il loro laboratorio è troppo piccolo e spostare il laser è poco pratico. Così, un buco nel muro e un corridoio diventano uno spazio laboratorio.

“Ci sono state sfide significative: l’enorme scala fino a 50 metri ci ha costretto a riconsiderare la fisica di base della generazione di guide d’onda atmosferiche, così come il desiderio di inviare Laser ad alta potenza Giù per una galleria pubblica di 50 metri porta naturalmente a gravi problemi di sicurezza. “Fortunatamente, abbiamo ottenuto un’eccellente collaborazione sia dalla fisica che dall’Ufficio per la sicurezza ambientale del Maryland”.

Senza cavi in ​​fibra ottica o guide d’onda, a raggio di luce– sia da un laser che da una torcia elettrica – si espanderà continuamente mentre viaggia. Se si lascia che il raggio si propaghi senza controllo, l’intensità del raggio può scendere a livelli inutili. Sia che tu stia cercando di ricreare un laser blaster fantascientifico o di rilevare i livelli di sostanze inquinanti nell’atmosfera riempiendole di energia con i laser e catturando la luce che viene rilasciata, vale la pena garantire che la luce sia fornita in modo efficiente e focalizzata.

La potenziale soluzione di Milchberg a questa sfida di mantenere la luce confinata è la luce extra, sotto forma di impulsi laser ultracorti. Questo progetto si basa su un lavoro precedente del 2014 in cui il suo laboratorio ha dimostrato di poter utilizzare questi impulsi laser per scolpire guide d’onda nell’aria.

Un esperimento laser di 50 metri stabilisce un corridoio da record presso l'Università del Maryland

Distribuzioni di luce laser raccolte dopo il viaggio di ingresso senza (sinistra) e con guida d’onda (destra). Credito: laboratorio di interazioni laser intense, UMD

La tecnica a impulsi brevi utilizza la capacità di un laser di fornire un’intensità così elevata lungo un percorso, chiamato filamento, da creare un plasma, una fase della materia in cui gli elettroni vengono strappati dai loro atomi. Questo percorso energetico riscalda l’aria, quindi si espande e lascia una scia di aria a bassa densità sulla scia del laser. Il processo è come una mini versione di fulmini e tuoni in cui l’energia del fulmine trasforma l’aria in un plasma che espande l’aria in modo esplosivo, creando un rombo di tuono; I suoni scoppiettanti che i ricercatori hanno sentito lungo il percorso del raggio provenivano dai cugini più piccoli delle nuvole temporalesche.

Ma i soli percorsi dei filamenti a bassa densità non erano ciò di cui il team aveva bisogno per guidare il laser. I ricercatori volevano un nucleo ad alta densità (come i cavi in ​​fibra ottica per Internet). Pertanto, hanno creato una disposizione di più tunnel a bassa densità che si diffondono naturalmente e si fondono in una trincea che circonda un nucleo più denso di aria indisturbata.

Gli esperimenti del 2014 hanno utilizzato una disposizione specifica di soli quattro fili laser, ma il nuovo esperimento ha utilizzato una nuova configurazione laser che ridimensiona automaticamente il numero di fili a seconda della potenza del laser; I fili sono distribuiti naturalmente attorno all’anello.

I ricercatori hanno dimostrato che questa tecnica può estendere la lunghezza di una guida d’onda atmosferica, aumentando la potenza che può fornire a un bersaglio alla fine di un corridoio. Al termine del volo laser, la guida d’onda ha trattenuto circa il 20% della luce che altrimenti sarebbe andata persa dall’area target. La distanza era circa 60 volte maggiore del record di precedenti esperimenti. I calcoli del team indicano che non sono ancora vicini al limite teorico della tecnologia e affermano che in futuro si dovrebbero ottenere efficienze di sterzata molto più elevate utilizzando questo metodo.

“Se avessimo avuto un ingresso più lungo, i nostri risultati mostrano che avremmo potuto modificare il laser per avere una guida d’onda più lunga”, afferma Andrew Tartaro, uno studente laureato in fisica dell’UMD che ha lavorato al progetto ed è un autore del documento. “Ma abbiamo avuto il nostro indizio proprio nella nostra hall.”

I ricercatori hanno anche eseguito test più brevi di otto metri in laboratorio dove hanno esaminato la fisica in gioco nel processo in modo più dettagliato. Per il test più breve, sono stati in grado di fornire circa il 60% della luce potenzialmente persa al bersaglio.

Il suono scoppiettante della Plasma Formation è stato praticamente utilizzato nei loro test. Oltre ad essere un’indicazione di dove si trovava il raggio, ha anche fornito ai ricercatori dei dati. Hanno usato una linea di 64 microfoni per misurare la lunghezza della guida d’onda e quanto fosse forte la guida d’onda lungo la sua lunghezza (più energia che va a fare la guida d’onda si traduce in un crepitio più forte).

Il team ha scoperto che la guida d’onda è durata solo per millisecondi prima di dissiparsi nuovamente nel nulla. Ma si tratta di eoni per i lampi laser attraverso i quali i ricercatori li stavano inviando: la luce può viaggiare per più di 3.000 chilometri in quel lasso di tempo.

Sulla base di ciò che i ricercatori hanno appreso dai loro esperimenti e simulazioni, il team prevede di condurre esperimenti per migliorare la lunghezza e l’efficienza delle loro guide d’onda aeree. Hanno anche in programma di dirigere diversi colori di luce e di indagare se una velocità di ripetizione dell’impulso del filamento più veloce può produrre una guida d’onda per dirigere un raggio continuo ad alta energia.

“Avere una scala di 50 metri per le guide d’onda stimola letteralmente il percorso per guide d’onda più lunghe e molte altre applicazioni”, afferma Melchberg. “Sulla base dei nuovi laser che avremo presto, abbiamo la ricetta per estendere le nostre guide a un chilometro e oltre.”

maggiori informazioni:
A. Goffin et al, Guida ottica nelle guide Airwave su scala 50 m, arXiv (2022). DOI: 10.48550/arxiv.2208.04240. (L’articolo è stato accettato per la pubblicazione sulla rivista X revisione fisica)

Introduzione di
Università del Maryland

la citazione: L’esperimento laser di 50 metri stabilisce il record di ingresso all’università (2023, 19 gennaio) Estratto il 20 gennaio 2023 da https://phys.org/news/2023-01-meter-laser-university-hallway.html

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