Un experimento láser de 50 metros establece un récord en el corredor de la universidad

No todas las universidades tienen pulsos de láser lo suficientemente potentes como para quemar papel y cuero, los pulsos brillantes se envían 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 visita el salón utilitario ahora gris y blanco, se verá como cualquier otro salón universitario, siempre que no mire detrás del tablero de corcho y vea la placa de metal que cubre un agujero en la pared.

Pero durante algunas noches en 2021, el profesor de física de la UMD Howard Melchberg y sus colegas transformaron el pasillo en un laboratorio: las superficies brillantes de las puertas y la fuente de agua se cubrieron para evitar reflejos potencialmente cegadores; Los carriles conectados a la señalización, la cinta de precaución y los privados están cerrados láser– Cortinas negras absorbentes. Los equipos y cables científicos suelen habitar en espacios abiertos para caminar.

Mientras los miembros del equipo hacían su trabajo, un sonido crepitante advirtió sobre el camino peligrosamente poderoso que el láser había disparado por el pasillo. A veces, el vuelo del rayo terminaba en un bloque de cerámica blanca, llenando el aire con latidos más fuertes y un tono metálico. Cada noche, el investigador se sentaba solo frente a una computadora en el laboratorio adyacente con un walkie-talkie encendido y hacía los ajustes necesarios al láser.

Sus esfuerzos consistieron en convertir temporalmente el aire en fibras. cable óptico—o, más específicamente, aire guiaondas—Esto dirigiría la luz por decenas de metros. Al igual que uno de los cables de Internet de fibra óptica que proporciona autopistas eficientes para los flujos de datos ópticos, la guía de ondas de aire describe un camino para la luz.

Estas guías de ondas de aire tienen muchas aplicaciones potenciales relacionadas con la recolección o transmisión de luz, como la detección de luz emitida por la contaminación atmosférica, la comunicación láser de largo alcance o incluso las armas láser. Usando guías de ondas de aire, no hay necesidad de aflojar los cables rígidos y preocuparse por las restricciones de la gravedad; En cambio, el cable se forma rápidamente sin soporte en el aire.

En un artículo aceptado para su publicación en la revista X revisión física El equipo describe cómo establecieron un récord dirigiendo la luz en ondas de aire de 45 metros de largo y explican la física detrás de su método.

Los investigadores llevaron a cabo una alquimia atmosférica sin precedentes durante la noche para evitar molestar (o hacer tropezar) a colegas o estudiantes desprevenidos durante la jornada laboral. Tenían que obtener la aprobación de sus procedimientos de seguridad antes de que pudieran reutilizar la entrada.

“Fue una experiencia realmente única”, dijo Andrew Goffin, un estudiante graduado de ingeniería eléctrica e informática de la UMD que trabajó en el proyecto y es el autor principal del artículo resultante en la revista. «Hay mucho trabajo que se dedica a la creación de imágenes con láser fuera del laboratorio y no tiene que lidiar con eso cuando está en el laboratorio, como colocar persianas para la seguridad de los ojos. Definitivamente fue estresante».

Todo el trabajo consistía en averiguar hasta dónde podía llevar esta técnica. El laboratorio de Milchberg ha demostrado previamente que un método similar funciona a distancias de menos de un metro. Pero los investigadores encontraron un obstáculo al extender sus experimentos a decenas de metros: su laboratorio es demasiado pequeño y mover el láser no es práctico. Así, un hueco en la pared y un pasillo se convierten en un espacio de laboratorio.

“Hubo desafíos importantes: la enorme escala de hasta 50 metros nos obligó a reconsiderar la física básica de la generación de guías de ondas atmosféricas, así como el deseo de enviar láser de alta potencia Bajar por una galería pública de 50 metros conduce naturalmente a importantes problemas de seguridad. «Afortunadamente, obtuvimos una excelente cooperación tanto de la física como de la Oficina de Seguridad Ambiental de Maryland».

Sin cables de fibra óptica ni guías de ondas, un Haz de luz– ya sea desde un láser o una linterna – se expandirá continuamente a medida que viaja. Si se permite que el haz 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 llenándolos de energía con láseres y capturando la luz que se libera, vale la pena asegurarse de que la luz se entregue de manera eficiente y enfocada.

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

La técnica de pulso corto utiliza la capacidad de un 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 son arrancados de sus átomos. Esta vía energética calienta el aire, por lo que se expande y deja un rastro de aire de baja densidad en la estela del láser. El proceso es como una mini versión de relámpagos y truenos en el que la energía del rayo convierte el aire en un plasma que expande explosivamente el aire, creando un trueno; Los chasquidos que escucharon los investigadores a lo largo del camino del haz eran de los primos más pequeños de las nubes tormentosas.

Pero las rutas de filamentos de baja densidad por sí solas no eran lo que el equipo necesitaba para guiar el láser. Los investigadores querían un núcleo de alta densidad (como cables de fibra óptica para Internet). Por lo tanto, crearon una disposición de múltiples túneles de baja densidad que se extienden naturalmente y se fusionan en una trinchera que rodea un núcleo más denso de aire no perturbado.

Los experimentos de 2014 utilizaron una disposición específica de solo cuatro hilos de láser, pero el nuevo experimento utilizó una nueva configuración de láser que escala automáticamente la cantidad de hilos según la potencia del láser; Los hilos se distribuyen naturalmente alrededor del anillo.

Los investigadores demostraron que esta técnica puede extender la longitud de una guía de onda atmosférica, aumentando la potencia que puede entregar a un objetivo al final de un pasillo. Al finalizar el vuelo del láser, la guía de ondas retuvo 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 experimentos anteriores. Los cálculos del equipo indican que aún no están cerca del límite teórico de la tecnología y dicen que se deberían lograr eficiencias de dirección mucho más altas utilizando el método en el futuro.

«Si hubiéramos tenido una entrada más larga, nuestros resultados muestran que podríamos haber modificado el láser para tener una guía de ondas más larga», dice Andrew Tartaro, un estudiante graduado de física de la UMD que trabajó en el proyecto y es autor del artículo. «Pero tenemos nuestra pista justo en nuestro vestíbulo».

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

El sonido de estallido de la Formación de Plasma fue prácticamente utilizado en sus pruebas. Además de ser una indicación de dónde estaba el rayo, también proporcionó datos a los investigadores. Usaron una línea de 64 micrófonos para medir la longitud de la guía de ondas y qué tan fuerte era la guía de ondas a lo largo de su longitud (más energía que se dedica a hacer la guía de ondas se traduce en un crujido más fuerte).

El equipo descubrió que la guía de ondas solo duró milisegundos antes de disiparse en el aire. Pero eso son eones para las ráfagas de láser a través de las cuales los investigadores los enviaban: la luz puede viajar más de 3.000 kilómetros en ese tiempo.

Con base en lo que los investigadores han aprendido de sus experimentos y simulaciones, el equipo planea realizar experimentos para mejorar la longitud y la eficiencia de sus guías de ondas de aire. También planean dirigir diferentes colores de luz e investigar si una tasa de repetición de pulso de filamento más rápida puede producir una guía de ondas para dirigir un haz continuo de alta energía.

“Tener una escala de 50 metros para guías de ondas, literalmente, abre el camino para guías de ondas más largas y muchas más aplicaciones”, dice Melchberg. «Basándonos en los nuevos láseres que tendremos pronto, tenemos la receta para extender nuestras guías a un kilómetro y más».