Una prueba láser de casi 50 metros ha batido un récord en un pasillo universitario

No todas las universidades tienen pulsos de láser lo suficientemente potentes como para quemar papel y piel, resplandeciendo por el pasillo. Pero eso es lo que sucedió en el Centro de Investigación de Energía de la UMD, un edificio de aspecto anodino en la esquina noreste del campus. Si visitas la sala de usuarios blanca y gris ahora, se parece a cualquier otra sala universitaria, hasta que te subes detrás del tablero de corcho y notas la placa de metal que cubre el agujero en la pared.

Pero en el transcurso de unas pocas noches en 2021, el profesor de física de la UMD Howard Milchberg y sus colegas convirtieron el corredor en un laboratorio; Los corredores de conexión se cerraron con señales, cinta de precaución y medidas especiales. láser– cortinas negras absorbentes; y los equipos y cables científicos se alojan en un área de paseo típicamente abierta.

Mientras los miembros del equipo realizaban su trabajo, un chasquido advirtió sobre el camino peligrosamente poderoso que el láser había tomado por el corredor. A veces, el viaje del rayo terminaba en un bloque de cerámica blanca, llenando el aire con sonidos más fuertes y un ala de metal. Cada noche, un investigador se sentaba solo frente a una computadora en un laboratorio vecino con un walkie-talkie y hacía los ajustes necesarios al láser.

Su esfuerzo fue convertir temporalmente el aire en fibra. cable óptico– o, más específicamente, aire guiaondas— dará la luz a decenas de metros de distancia. Al igual que uno de los cables de Internet de fibra óptica que proporcionan autopistas eficientes para los flujos de datos ópticos, una guía de ondas aérea proporciona un camino para la luz.

Estas guías de ondas aerotransportadas tienen muchas aplicaciones potenciales relacionadas con la recolección o transmisión de luz, como la detección de luz emitida por la contaminación atmosférica, comunicaciones láser de largo alcance o incluso armas láser. En el caso de una guía de onda aérea, no hay necesidad de desmantelar el cable sólido y preocuparse por las limitaciones de la gravedad; en cambio, el cable se forma rápidamente en el aire sin soporte.

En un artículo aceptado para su publicación en una revista. Examen físico X: El equipo describió cómo establecieron el récord al dirigir la luz en guías de ondas aéreas de 45 metros de largo y explicaron la física detrás de su método.

Los científicos realizaron su alquimia atmosférica sin precedentes durante la noche para evitar incomodar (o pelear) a colegas o estudiantes desprevenidos durante la jornada laboral. Tuvieron que confirmar sus procedimientos de seguridad antes de que pudieran rehacer el corredor.

«Fue una experiencia realmente única», dijo Andrew Goffin, estudiante graduado en ingeniería eléctrica e informática en la UMD que trabajó en el proyecto y es el autor principal del artículo de revista resultante. “Hay mucho trabajo relacionado con disparar láseres fuera del laboratorio con el que no tiene que lidiar en el laboratorio, como colocar cortinas para la seguridad de los ojos. Definitivamente fue agotador».

Todo el trabajo consistía en ver hasta dónde podían llevar la técnica. El laboratorio de Milkberg mostró previamente que un método similar funciona a distancias de menos de un metro. Sin embargo, los investigadores enfrentaron un obstáculo al extender sus experimentos a decenas de metros. su laboratorio es demasiado pequeño y mover el láser no es práctico. Así, el hueco de la pared y el pasillo se convierten en un espacio de laboratorio.

«Hubo serios desafíos. la enorme escala de hasta 50 metros nos obligó a repensar la física fundamental de la generación de ondas de aire, además de querer enviar láser de alta potencia Un corredor público de 50 metros de largo naturalmente presenta serios problemas de seguridad”, dice Milchberg. “Afortunadamente, tuvimos una gran cooperación tanto del Departamento de Física como de la Oficina de Seguridad Ambiental de Maryland.

Sin cables de fibra óptica ni guías de ondas, un un rayo de luz— ya sea por láser o linterna, se expandirá continuamente a medida que viaja. Si se permite que se propague sin control, la intensidad del haz puede caer a niveles inútiles. Ya sea que intente recrear un blaster láser de ciencia ficción o detectar niveles de contaminantes en la atmósfera activándolos con un láser y capturando la luz emitida, vale la pena garantizar una transmisión de luz enfocada y eficiente.

La solución potencial de Milkberg para este desafío de mantener la luz confinada es la luz suplementaria en forma de pulsos de láser ultracortos. Este proyecto se basa en un trabajo anterior de 2014, donde su laboratorio demostró que podían usar tales pulsos de láser para esculpir guías de ondas en el aire.

La técnica de pulso corto utiliza la capacidad del láser para entregar una intensidad tan alta a lo largo de un camino llamado filamento que crea un plasma, una fase de la materia donde los electrones han sido arrancados de sus átomos. Esta ruta de energía calienta el aire, por lo que se expande y deja una ruta de aire de baja densidad detrás del láser. Este proceso se asemeja a una versión pequeña de relámpagos y truenos, donde la energía del relámpago convierte el aire en plasma, que expande explosivamente el aire, creando un trueno. Los investigadores que escucharon a lo largo de la trayectoria del rayo eran los primos pequeños del trueno.

Pero estas vías de filamentos de baja densidad por sí solas no eran lo que el equipo necesitaba para la guía láser. Los investigadores querían un núcleo de alta densidad (igual que los cables de fibra óptica para Internet). Entonces crearon una disposición de varios túneles de baja densidad que se disipan naturalmente y se unen en una zanja que rodea un núcleo más denso de aire no perturbado.

Los experimentos de 2014 utilizaron una matriz de solo cuatro filamentos láser, pero el nuevo experimento aprovechó una nueva configuración de láser que aumenta automáticamente la cantidad de filamentos según la potencia del láser; los hilos se distribuyen naturalmente alrededor del bucle.

Los investigadores han demostrado que la técnica puede extender la longitud de una guía de ondas de aire, aumentando la potencia entregada a un objetivo al final del corredor. Al final del recorrido del láser, la guía de ondas había retenido alrededor del 20 % de la luz que, de otro modo, se habría perdido en el área objetivo. La distancia fue unas 60 veces mayor que su récord de intentos anteriores. Los cálculos del equipo sugieren que aún no se han acercado al límite teórico de la técnica, y dicen que el método debería lograr eficiencias mucho más altas en el futuro.

«Si tuviéramos un canal más largo, nuestros resultados muestran que podríamos ajustar el láser para una guía de ondas más larga», dijo Andrew Tartaro, estudiante graduado en física en la UMD que trabajó en el proyecto y es autor del artículo. «Pero tenemos a nuestro guía justo en nuestro callejón».

Los investigadores también realizaron pruebas más cortas de ocho metros en el laboratorio, donde estudiaron la física involucrada en el proceso con más detalle. Para la prueba más corta, pudieron entregar alrededor del 60% de la posible luz parásita a su objetivo.

El sonido de la formación de plasma se utilizó prácticamente en sus experimentos. Además de mostrar dónde estaba el rayo, también proporcionó datos a los investigadores. Usaron una matriz de 64 micrófonos para medir la longitud de la guía de ondas y qué tan fuerte era sobre la longitud de la guía de ondas (más energía utilizada para crear la onda se traduce en un sonido más fuerte).

El equipo descubrió que la guía de ondas dura solo una centésima de segundo antes de disiparse en el aire. Pero han pasado años desde que los rayos láser que los investigadores han estado enviando a través de él; la luz puede viajar más de 3000 km en ese tiempo.

Con base en lo que los investigadores aprendieron de sus experimentos y simulaciones, el equipo está planeando experimentos para mejorar aún más la longitud y la eficiencia de sus ondas de radio. También planean dirigir diferentes colores de luz e investigar si una tasa de repetición de pulso de filamento más rápida podría producir una guía de ondas para dirigir un haz continuo de alta potencia.

«Llegar a la escala de 50 metros para guías de ondas aerotransportadas literalmente abre el camino para guías de ondas aún más largas y muchas aplicaciones», dice Milkberg. «Basándonos en los nuevos láseres que obtendremos pronto, tenemos la receta para extender nuestras guías un kilómetro o más».