Eksperimen laser 50 meter mencetak rekor di koridor universitas

Tidak setiap universitas memiliki pulsa laser yang cukup kuat untuk membakar kertas dan kulit, pulsa bercahaya dikirim ke lorong. Tapi itulah yang terjadi di Fasilitas Riset Energi UMD, sebuah bangunan yang tampak biasa-biasa saja di sudut timur laut kampus. Jika Anda mengunjungi aula utilitarian yang sekarang berwarna abu-abu dan putih, itu akan terlihat seperti aula perguruan tinggi lainnya – selama Anda tidak mengintip ke belakang papan gabus dan melihat pelat logam menutupi lubang di dinding.

Tetapi selama beberapa malam di tahun 2021, profesor fisika Howard Melchberg dan rekan-rekannya mengubah lorong menjadi laboratorium: Permukaan pintu yang mengkilap dan air mancur ditutup untuk menghindari pantulan yang berpotensi menyilaukan. Jalur yang terhubung ke rambu, pita peringatan, dan jalur pribadi ditutup laser– Menyerap tirai hitam. Peralatan dan kabel ilmiah biasanya menghuni ruang berjalan terbuka.

Sementara anggota tim melakukan pekerjaan mereka, suara berderak memperingatkan jalur berbahaya yang ditembakkan laser ke aula. Kadang-kadang pancaran pancaran akan berakhir pada balok keramik putih, memenuhi udara dengan ketukan yang lebih keras dan nada metalik. Setiap malam, peneliti akan duduk sendirian di depan komputer di lab yang berdekatan dengan walkie-talkie dan melakukan penyesuaian yang diperlukan pada laser.

Upaya mereka terdiri dari mengubah udara tipis menjadi serat untuk sementara kabel optik—atau, lebih khusus lagi, udara pandu gelombang—Ini akan mengarahkan cahaya sejauh puluhan meter. Seperti salah satu kabel Internet serat optik yang menyediakan jalan raya yang efisien untuk aliran data optik, pandu gelombang udara menjelaskan jalur cahaya.

Airwaveguides ini memiliki banyak aplikasi potensial yang berkaitan dengan pengumpulan atau transmisi cahaya, seperti mendeteksi cahaya yang dipancarkan oleh polusi atmosfer, komunikasi laser jarak jauh, atau bahkan senjata laser. Menggunakan pandu gelombang udara, tidak perlu melonggarkan kabel yang kaku dan tidak peduli dengan batasan gravitasi; Sebaliknya, kabel dengan cepat terbentuk tanpa penyangga di udara.

Dalam makalah yang diterima untuk publikasi di jurnal * Tinjauan Fisik Tim menjelaskan bagaimana mereka membuat rekor dengan cahaya kemudi di gelombang udara sepanjang 45 meter dan menjelaskan fisika di balik metode mereka.

Para peneliti melakukan alkimia atmosfer yang memecahkan rekor pada malam hari untuk menghindari gangguan (atau tersandung) kolega atau siswa yang tidak menaruh curiga selama hari kerja. Mereka harus mendapatkan prosedur keselamatan yang disetujui sebelum mereka dapat menggunakan kembali pintu masuk.

“Itu adalah pengalaman yang benar-benar unik,” kata Andrew Goffin, seorang mahasiswa pascasarjana teknik elektro dan komputer dari UMD yang mengerjakan proyek tersebut dan menjadi penulis utama artikel yang dihasilkan di jurnal tersebut. “Ada banyak pekerjaan yang dilakukan untuk pencitraan laser di luar lab dan Anda tidak harus menghadapinya saat berada di lab – seperti memasang tirai untuk keamanan mata. Itu benar-benar membuat stres.”

Semua pekerjaan mencari tahu sejauh mana Anda bisa mendorong teknik ini. Laboratorium Milchberg sebelumnya telah menunjukkan bahwa metode serupa bekerja pada jarak kurang dari satu meter. Namun para peneliti menemui kendala dalam memperluas eksperimen mereka hingga puluhan meter: lab mereka terlalu kecil dan menggerakkan laser tidak praktis. Dengan demikian, lubang di dinding dan lorong menjadi ruang laboratorium.

“Ada tantangan yang signifikan: skala besar hingga 50 meter memaksa kami untuk mempertimbangkan kembali fisika dasar pembuatan pandu gelombang atmosfer, serta keinginan untuk mengirim Laser berdaya tinggi Menuruni galeri publik sepanjang 50 meter secara alami mengarah pada masalah keamanan utama. “Untungnya, kami mendapat kerja sama yang sangat baik dari fisika dan Kantor Keamanan Lingkungan Maryland.”

Tanpa kabel serat optik atau pandu gelombang, a berkas cahaya– apakah dari laser atau senter – itu akan terus mengembang saat bergerak. Jika pancaran dibiarkan menyebar tanpa terkendali, intensitas pancaran bisa turun ke tingkat yang tidak membantu. Apakah Anda sedang mencoba membuat ulang laser blaster sci-fi atau mendeteksi tingkat polutan di atmosfer dengan memompanya penuh energi laser dan menangkap cahaya yang dilepaskan, memastikan bahwa cahaya dikirim secara efisien dan terfokus harus bermanfaat.

Solusi potensial Milchberg untuk tantangan membatasi cahaya ini adalah cahaya ekstra — dalam bentuk pulsa laser ultrapendek. Proyek ini dibangun di atas pekerjaan sebelumnya dari tahun 2014 di mana labnya menunjukkan bahwa mereka dapat menggunakan pulsa laser ini untuk memahat pandu gelombang di udara.

Teknik short-pulse menggunakan kemampuan laser untuk mengirimkan intensitas tinggi di sepanjang jalur, yang disebut filamen, sehingga menciptakan plasma – fase materi di mana elektron dicabut dari atomnya. Jalur energik ini memanaskan udara, sehingga mengembang dan meninggalkan jejak udara berkepadatan rendah di belakang laser. Prosesnya seperti versi mini dari pencahayaan dan guntur di mana energi petir mengubah udara menjadi plasma yang mengembang secara eksplosif, menciptakan petir; Suara letupan yang didengar para peneliti di sepanjang jalur pancaran berasal dari sepupu awan petir yang lebih kecil.

Tapi jalur filamen berkepadatan rendah saja bukan yang dibutuhkan tim untuk memandu laser. Para peneliti menginginkan inti berdensitas tinggi (seperti kabel serat optik untuk Internet). Oleh karena itu, mereka menciptakan susunan beberapa terowongan berdensitas rendah yang menyebar secara alami dan bergabung menjadi parit yang mengelilingi inti padat udara yang tidak terganggu.

Eksperimen tahun 2014 menggunakan pengaturan khusus yang hanya terdiri dari empat utas laser, tetapi eksperimen baru menggunakan pengaturan laser baru yang secara otomatis menskalakan jumlah utas tergantung pada daya laser; Benang didistribusikan secara alami di sekitar ring.

Para peneliti menunjukkan bahwa teknik ini dapat memperpanjang panjang pandu gelombang atmosfer, meningkatkan daya yang dapat diberikannya ke target di ujung lorong. Pada akhir penerbangan laser, pandu gelombang mempertahankan sekitar 20% cahaya yang seharusnya hilang dari area target. Jaraknya sekitar 60 kali lebih besar dari rekornya dari percobaan sebelumnya. Perhitungan tim menunjukkan bahwa mereka belum mendekati batas teoretis teknologi, dan mengatakan bahwa efisiensi kemudi yang jauh lebih tinggi harus dicapai dengan menggunakan metode ini di masa mendatang.

“Jika kami memiliki pintu masuk yang lebih panjang, hasil kami menunjukkan bahwa kami dapat memodifikasi laser untuk memiliki pandu gelombang yang lebih panjang,” kata Andrew Tartaro, seorang mahasiswa pascasarjana fisika UMD yang mengerjakan proyek tersebut dan merupakan penulis makalah. “Tapi kami mendapat petunjuk tepat di lobi kami.”

Para peneliti juga menjalankan tes delapan meter yang lebih pendek di laboratorium tempat mereka memeriksa fisika yang berperan dalam proses secara lebih rinci. Untuk tes yang lebih singkat, mereka mampu mengirimkan sekitar 60% dari cahaya yang berpotensi hilang ke target mereka.

Suara letupan Formasi Plasma secara praktis digunakan dalam pengujian mereka. Selain menjadi indikasi di mana pancaran itu berada, itu juga memberi para peneliti data. Mereka menggunakan garis 64 mikrofon untuk mengukur panjang pandu gelombang dan seberapa kuat pandu gelombang sepanjang panjangnya (lebih banyak energi yang digunakan untuk membuat pandu gelombang diterjemahkan menjadi derak yang lebih keras).

Tim menemukan bahwa pandu gelombang hanya bertahan selama milidetik sebelum menghilang kembali ke udara tipis. Tapi itu ribuan tahun untuk semburan laser yang dikirim para peneliti: cahaya dapat menempuh jarak lebih dari 3.000 kilometer dalam waktu itu.

Berdasarkan apa yang telah dipelajari para peneliti dari percobaan dan simulasi mereka, tim berencana untuk melakukan percobaan untuk meningkatkan panjang dan efisiensi pandu gelombang udara mereka. Mereka juga berencana untuk mengarahkan warna cahaya yang berbeda dan untuk menyelidiki apakah tingkat pengulangan pulsa filamen yang lebih cepat dapat menghasilkan pandu gelombang untuk mengarahkan sinar energi tinggi yang berkelanjutan.

“Memiliki skala 50 meter untuk pandu gelombang benar-benar memacu jalur untuk pandu gelombang yang lebih panjang dan lebih banyak aplikasi,” kata Melchberg. “Berdasarkan laser baru yang akan segera kami miliki, kami memiliki resep untuk memperluas panduan kami hingga satu kilometer dan seterusnya.”