Bir lazer, bir UMD koridorundan aşağı, 45 metrelik bir yolculuk yaparken ağıl ışığına gönderilir. Kredi: Intense Laser-Matter Interactions Lab, UMD
Kağıt ve cilt yakmaya yetecek kadar güçlü lazer darbeleri her üniversitede bir koridordan aşağıya gönderilmez. Ancak UMD’nin kampüsün kuzeydoğu köşesindeki sıradan görünümlü bir bina olan Enerji Araştırma Tesisi’nde olan da buydu. Şu anda faydacı beyaz ve gri salonu ziyaret ederseniz, başka bir üniversite salonu gibi görünür – bir mantar panonun arkasına geçip duvardaki bir deliği kapatan metal plakayı görmediğiniz sürece.
Ama UMD Fizik Profesörü Howard Milchberg ve meslektaşları, 2021’de birkaç gece için koridoru bir laboratuvara dönüştürdüler: Kapıların parlak yüzeyleri ve bir su fıskiyesi, potansiyel olarak kör edici yansımaları önlemek için kapatıldı; bağlantı koridorları işaretler, uyarı bandı ve özel lazer emici siyah perdelerle kapatıldı; ve bilimsel ekipman ve kablolar normalde açık yürüme alanını açar.
Ekibin üyeleri işlerine devam ederken, bir kırılma sesi, lazerin koridorda parıldadığı tehlikeli derecede güçlü yola dair uyarıda bulundu. Bazen kirişin yolculuğu, havayı daha yüksek patlama sesleri ve metalik bir tang ile dolduran beyaz seramik bir blokta sona eriyordu. Her gece bir araştırmacı, bitişik laboratuvardaki bir bilgisayarın başına bir telsizle tek başına oturdu ve lazerde istenen ayarlamaları yaptı.
Soldan sağa: Eric Rosenthal, fizikçi ABD Deniz Araştırma Laboratuvarı; ABD Ordusu Araştırma Laboratuvarı’nda fizikçi olan Anthony Valenzuela; ve bir UMD elektrik ve bilgisayar mühendisliği yüksek lisans öğrencisi olan Andrew Goffin, lazer ışınını laboratuvardan koridorun aşağısına göndermek için optikleri duvardaki bir lumbozda hizalıyor. Kredi: Intense Laser-Matter Interactions Lab, UMD
Çabaları, ince havayı geçici olarak bir fiber optik kabloya veya daha özel olarak, ışığı onlarca metre yönlendirecek bir hava dalga kılavuzuna dönüştürmekti. . Optik veri akışları için verimli otoyollar sağlayan fiber optik internet kablolarından biri gibi, bir hava dalga kılavuzu da ışık için bir yol belirler. Bu hava dalga kılavuzları, atmosferik kirlilik, uzun menzilli lazer iletişimi ve hatta lazer silahları tarafından yayılan ışığı tespit etmek gibi ışığın toplanması veya iletilmesi ile ilgili birçok potansiyel uygulamaya sahiptir. Bir hava dalga kılavuzu ile katı kabloyu makaradan ayırmaya ve yerçekimi kısıtlamalarıyla ilgilenmeye gerek yoktur; bunun yerine, kablo hızla havada desteksiz hale gelir. Physical Review X dergisinde yayınlanmak üzere kabul edilen bir makalede ekip, ışığı 45 metre uzunluğundaki hava dalga kılavuzlarında yönlendirerek nasıl rekor kırdıklarını ve yöntemlerinin arkasındaki fiziği açıkladı.
Araştırmacılar kayıtlarını gerçekleştirdiler. – iş günü boyunca meslektaşları veya şüphelenmeyen öğrencileri rahatsız etmekten (veya zaplamaktan) kaçınmak için geceleri atmosferik simyayı ayarlamak. Koridoru başka bir amaçla kullanabilmeleri için önce güvenlik prosedürlerini onaylatmaları gerekiyordu.
Projede çalışan ve UMD elektrik ve bilgisayar mühendisliği yüksek lisans öğrencisi olan Andrew Goffin, “Gerçekten eşsiz bir deneyimdi,” diyor. Ortaya çıkan dergi makalesinin baş yazarı. “Laboratuvarın dışında lazerle çekim yapmakla ilgili, laboratuvardayken uğraşmanıza gerek olmayan pek çok iş var; göz güvenliği için perde takmak gibi. Kesinlikle yorucuydu.”
Dalga kılavuzu olmadan (solda) ve dalga kılavuzuyla (sağda) yapılan koridor yolculuğundan sonra toplanan lazer ışığının dağılımları. Kredi: Intense Laser-Matter Interactions Lab, UMD
Bütün iş, tekniği ne kadar zorlayabileceklerini görmekti. Daha önce Milchberg’in laboratuvarı, benzer bir yöntemin bir metreden daha kısa mesafelerde işe yaradığını göstermişti. Ancak araştırmacılar deneylerini onlarca metreye genişletirken bir engelle karşılaştılar: Laboratuvarları çok küçük ve lazeri hareket ettirmek pratik değil. Böylece, duvarda bir delik ve bir koridor laboratuvar alanına dönüştü.
“Büyük zorluklar vardı: 50 metreye kadar olan devasa ölçek, bizi hava dalga kılavuzu üretiminin temel fiziğini yeniden düşünmeye ve ayrıca dalga kılavuzu göndermek istemeye zorladı. 50 metre uzunluğundaki bir umumi koridorda yüksek güçlü bir lazer doğal olarak büyük güvenlik sorunlarını tetikliyor,” diyor Milchberg.Kontrolsüz bir şekilde yayılmasına izin verilirse, bir ışının yoğunluğu kullanışsız seviyelere düşebilir. İster bir bilim kurgu lazer püskürtücüsünü yeniden yaratmaya çalışın, ister bir lazerle enerji dolu olarak pompalayarak ve yayılan ışığı yakalayarak atmosferdeki kirletici seviyelerini tespit etmeye çalışın, ışığın verimli ve yoğun bir şekilde iletilmesini sağlamak için işe yarar.
{ 2}Milchberg’in ışığı sınırlı tutma konusundaki bu zorluğa olası çözümü, ultra kısa lazer atımları biçimindeki ek ışıktır. Bu proje, laboratuvarının havadaki dalga kılavuzlarını şekillendirmek için bu tür lazer darbelerini kullanabileceklerini gösterdiği 2014 tarihli önceki çalışmasına dayanmaktadır.
Kısa darbe tekniği, bir lazerin filaman adı verilen bir yol boyunca o kadar yüksek bir yoğunluk sağlar ki, elektronların atomlarından koptuğu bir madde fazı olan bir plazma oluşturur. Bu enerjik yol havayı ısıtır, böylece genişler ve lazerin ardından düşük yoğunluklu bir hava yolu bırakır. Bu süreç şimşek ve gök gürültüsünün küçük bir versiyonuna benzer; burada şimşek enerjisi havayı, havayı patlayarak genişleten ve şimşek çakmasını yaratan bir plazmaya dönüştürür; araştırmacıların ışın yolu boyunca duydukları patlama sesleri, gök gürültüsünün küçük kuzenleriydi.
Ancak bu düşük yoğunluklu lif yolları, ekibin bir lazeri yönlendirmek için tek başına ihtiyaç duyduğu şeyler değildi. Araştırmacılar, yüksek yoğunluklu bir çekirdek istediler (internet fiber optik kablolarıyla aynı). Bu nedenle, doğal olarak yayılan ve daha yoğun, sakin hava çekirdeğini çevreleyen bir hendekte birleşen, birden çok düşük yoğunluklu tünelden oluşan bir düzenleme oluşturdular.
2014 deneylerinde yalnızca dört lazer filamanından oluşan bir dizi düzenleme kullanıldı, ancak yeni deney, lazer enerjisine bağlı olarak filaman sayısını otomatik olarak artıran yeni bir lazer kurulumundan yararlandı; lifler doğal olarak kendilerini bir halka etrafında dağıtırlar.
Araştırmacılar, tekniğin hava dalga kılavuzunun uzunluğunu uzatarak koridorun sonundaki bir hedefe iletebilecekleri gücü artırabileceğini gösterdi. Lazerin yolculuğunun sonunda, dalga kılavuzu, aksi takdirde hedef alanlarından kaybolacak olan ışığın yaklaşık %20’sini tutmuştu. Mesafe, önceki deneylerdeki kayıtlarından yaklaşık 60 kat daha uzaktı. Ekibin hesaplamaları, henüz tekniğin teorik sınırına yakın olmadıklarını gösteriyor ve gelecekte bu yöntemle çok daha yüksek yönlendirme verimliliklerine kolayca ulaşılabileceğini söylüyorlar.
“Daha uzun bir koridorumuz olsaydı, Sonuçlarımız, lazeri daha uzun bir dalga kılavuzu için ayarlayabileceğimizi gösteriyor,” diyor projede çalışan ve makalenin yazarı olan UMD fizik yüksek lisans öğrencisi Andrew Tartaro. “Ama elimizdeki koridor için doğru rehberimiz var.”
Araştırmacılar ayrıca laboratuvarda daha kısa sekiz metrelik testler yaptılar ve bu süreçte ortaya çıkan fiziği daha ayrıntılı bir şekilde incelediler. Daha kısa test için, potansiyel olarak kaybolan ışığın yaklaşık %60’ını hedeflerine ulaştırmayı başardılar.
Plazma oluşumunun patlama sesi, testlerinde pratikte kullanıldı. Işının nerede olduğuna dair bir gösterge olmasının yanı sıra araştırmacılara veri de sağladı. Dalga kılavuzunun uzunluğunu ve dalga kılavuzunun uzunluğu boyunca ne kadar güçlü olduğunu ölçmek için 64 mikrofonluk bir sıra kullandılar (dalga kılavuzunun daha fazla enerji harcaması, daha yüksek bir sese dönüşür).
Ekip, dalga kılavuzunun tekrar ince havaya dağılmadan önce saniyenin sadece yüzde biri kadar sürdü. Ancak bu, araştırmacıların içinden gönderdiği lazer patlamaları için çağlardır: Işık, bu süre içinde 3.000 km’den daha fazla yol kat edebilir.
Araştırmacıların deneylerinden ve simülasyonlarından öğrendiklerine dayanarak, ekip, daha fazla ilerlemek için deneyler planlıyor. hava dalga kılavuzlarının uzunluğunu ve verimliliğini artırır. Ayrıca, farklı ışık renklerine rehberlik etmeyi ve daha hızlı bir filaman darbe tekrarlama oranının, sürekli yüksek güçlü bir ışını kanalize etmek için bir dalga kılavuzu üretip üretemeyeceğini araştırmayı planlıyorlar.
“Hava dalga kılavuzları için 50 metre ölçeğine ulaşmak kelimenin tam anlamıyla parlıyor daha da uzun dalga kılavuzları ve birçok uygulama için yol”, diyor Milchberg. “Yakında elde edeceğimiz yeni lazerlere dayalı olarak, kılavuzlarımızı bir kilometre ve ötesine uzatmak için bir tarifimiz var.”
Referans: “Optical guiding in 50-meter-scale air waveguides”, A. Goffin , I. Larkin, A. Tartaro, A. Schweinsberg, A. Valenzuela, E. W. Rosenthal ve H. M. Milchberg, 23 Ocak 2023, Physical Review X.
DOI: 10.1103/PhysRevX.13.011006
.