Лазерный эксперимент на 50 метров установил рекорд в коридоре университета

Лазер направляется через коридор UMD в эксперименте, чтобы блокировать свет, когда он совершает свой 45-метровый полет. Предоставлено: Лаборатория интенсивных лазерных взаимодействий, UMD.

Не в каждом университете есть лазерные импульсы, достаточно мощные, чтобы сжигать бумагу и кожу, светящиеся импульсы посылаются по коридору. Но именно это произошло в Центре энергетических исследований UMD, ничем не примечательном здании в северо-восточном углу кампуса. Если вы посетите теперь серо-белый утилитарный холл, он будет выглядеть как любой другой холл колледжа — если вы не заглянете за пробковую доску и не заметите металлическую пластину, закрывающую дыру в стене.


Но на несколько ночей в 2021 году профессор физики UMD Говард Милхберг и его коллеги превратили коридор в лабораторию: блестящие поверхности дверей и водяной фонтан были закрыты, чтобы избежать потенциально ослепляющих отражений; Полосы, связанные с вывесками, предупредительной лентой и частными участками, закрыты. лазер— Впитывающие черные шторы. Научное оборудование и кабели обычно обитают на открытых прогулочных площадках.

Пока члены команды выполняли свою работу, потрескивающий звук предупредил об опасно мощном пути, проложенном лазером по коридору. Иногда полет луча заканчивался на белом керамическом блоке, наполняя воздух более громкими ударами и металлическим звуком. Каждую ночь исследователь сидел один за компьютером в соседней лаборатории с включенной рацией и выполнял необходимые настройки лазера.

Их усилия заключались в том, чтобы временно превратить разреженный воздух в волокна. оптический кабель— точнее, воздух волновод— Это направит свет на десятки метров. Подобно одному из оптоволоконных интернет-кабелей, которые обеспечивают эффективные магистрали для оптических потоков данных, атмосферный волновод описывает путь для света.

Эти воздушные волноводы имеют множество потенциальных применений, связанных со сбором или передачей света, например, для обнаружения света, излучаемого атмосферным загрязнением, лазерной связи дальнего действия или даже лазерного оружия. При использовании воздушных волноводов нет необходимости ослаблять жесткие тросы и заботиться об ограничениях силы тяжести; Вместо этого кабель быстро теряет опору в воздухе.

В статье, принятой к публикации в журнале X физический обзор Команда описывает, как они установили рекорд, управляя светом на радиоволнах длиной 45 метров, и объясняют физику своего метода.

Исследователи провели рекордную атмосферную алхимию ночью, чтобы не беспокоить (или не сбивать с толку) ничего не подозревающих коллег или студентов в течение рабочего дня. Они должны были получить одобрение своих мер безопасности, прежде чем они могли перепрофилировать вход.

«Это был действительно уникальный опыт», — сказал Эндрю Гоффин, аспирант UMD по электротехнике и вычислительной технике, который работал над проектом и является ведущим автором итоговой статьи в журнале. «Создание лазеров визуализации требует много работы за пределами лаборатории, и вам не нужно заниматься ею, когда вы находитесь в лаборатории — например, надевать жалюзи для защиты глаз. Это определенно было стрессом».

Вся работа заключалась в том, чтобы выяснить, до каких пределов можно довести эту технику. Лаборатория Мильхберга ранее показала, что подобный метод работает на расстоянии менее метра. Но исследователи столкнулись с препятствием при расширении своих экспериментов до десятков метров: их лаборатория слишком мала, а перемещать лазер нецелесообразно. Таким образом, дыра в стене и коридор становятся лабораторным пространством.

«Были серьезные проблемы: огромный масштаб до 50 метров заставил нас пересмотреть основы физики генерации атмосферных волноводов, а также желание отправить Лазер высокой мощности Спуск по 50-метровой общественной галерее, естественно, приводит к серьезным проблемам с безопасностью. «К счастью, мы получили отличное сотрудничество как от физики, так и от Управления экологической безопасности штата Мэриленд».

Без волоконно-оптических кабелей или волноводов луч света— будь то лазер или фонарик — он будет постоянно расширяться по мере движения. Если лучу позволить беспрепятственно распространяться, интенсивность луча может упасть до бесполезного уровня. Пытаетесь ли вы воссоздать научно-фантастический лазерный бластер или определить уровни загрязняющих веществ в атмосфере, накачивая их энергией с помощью лазеров и улавливая испускаемый свет, стоит убедиться, что свет доставляется эффективно и сфокусировано.

Потенциальное решение Милхберга для этой проблемы ограничения света — дополнительный свет — в форме ультракоротких лазерных импульсов. Этот проект основан на более ранней работе 2014 года, в которой его лаборатория показала, что они могут использовать эти лазерные импульсы для создания волноводов в воздухе.

Эксперимент с 50-метровым лазером устанавливает рекордный коридор в Университете Мэриленда.

Распределения лазерного излучения, собранные после входа без (слева) и с (справа) волновода. Предоставлено: Лаборатория интенсивных лазерных взаимодействий, UMD.

Метод коротких импульсов использует способность лазера передавать такую ​​высокую интенсивность по пути, называемому нитью накала, что он создает плазму — фазу вещества, в которой электроны отрываются от своих атомов. Этот энергетический путь нагревает воздух, поэтому он расширяется и оставляет за собой след из воздуха с низкой плотностью. Этот процесс похож на мини-версию молнии и грома, в которой энергия молнии превращает воздух в плазму, которая взрывным образом расширяет воздух, создавая удар грома; Хлопающие звуки, которые исследователи слышали на пути луча, исходили от меньших родственников грозовых облаков.

Но нити нити с низкой плотностью сами по себе не были тем, что нужно команде для управления лазером. Исследователям требовалось ядро ​​высокой плотности (например, оптоволоконные кабели для Интернета). Поэтому они создали множество туннелей с низкой плотностью, которые распространяются естественным образом и сливаются в траншею, окружающую более плотное ядро ​​невозмущенного воздуха.

В экспериментах 2014 года использовалось конкретное расположение только четырех лазерных нитей, но в новом эксперименте использовалась новая лазерная установка, которая автоматически масштабирует количество нитей в зависимости от мощности лазера; Нити естественно распределяются по кольцу.

Исследователи показали, что этот метод может увеличить длину атмосферного волновода, увеличив мощность, которую он может передать цели в конце коридора. По завершении лазерного полета волновод сохранил около 20% света, который в противном случае был бы потерян из целевой области. Расстояние было примерно в 60 раз больше, чем его рекорд из предыдущих экспериментов. Расчеты команды показывают, что они еще не приблизились к теоретическому пределу метода, и говорят, что в будущем с использованием этого метода должна быть достигнута гораздо более высокая эффективность рулевого управления.

«Если бы у нас был более длинный вход, наши результаты показывают, что мы могли бы модифицировать лазер, чтобы иметь более длинный волновод», — говорит Эндрю Тартаро, аспирант кафедры физики UMD, который работал над проектом и является автором статьи. «Но мы получили нашу подсказку прямо в нашем вестибюле».

Исследователи также провели более короткие восьмиметровые тесты в лаборатории, где они более подробно изучили физику процесса. В более коротком тесте они смогли передать около 60% потенциально потерянного света своей цели.

В их тестах практически использовался хлопающий звук Plasma Formation. Помимо указания на то, где находился луч, он также предоставил исследователям данные. Они использовали линию из 64 микрофонов для измерения длины волновода и того, насколько сильным был волновод по его длине (больше энергии, затрачиваемой на создание волновода, преобразуется в более громкий треск).

Команда обнаружила, что волновод просуществовал всего несколько миллисекунд, прежде чем раствориться в воздухе. Но это эоны для лазерных вспышек, через которые их посылали исследователи: за это время свет может пройти более 3000 километров.

Основываясь на том, что исследователи узнали из своих экспериментов и моделирования, команда планирует провести эксперименты по увеличению длины и эффективности своих радиоволноводов. Они также планируют направлять разные цвета света и исследовать, может ли более высокая частота повторения импульсов накала создать волновод для направления непрерывного высокоэнергетического луча.

«Наличие 50-метровой шкалы для волноводов буквально открывает путь для более длинных волноводов и многих других приложений», — говорит Мелхберг. «Основываясь на новых лазерах, которые у нас появятся в ближайшее время, у нас есть рецепт расширения наших направляющих до километра и более».

Дополнительная информация:
А. Гоффин и др., Оптическое наведение в радиоволнах на расстоянии 50 м, arXiv (2022). DOI: 10.48550/arxiv.2208.04240. (Статья принята к публикации в журнале X физический обзор)

Представление о
Университет Мэриленда

цитата: 50-метровый лазерный эксперимент устанавливает рекорд для поступления в университет (2023 г., 19 января). Получено 20 января 2023 г. с https://phys.org/news/2023-01-meter-laser-university-hallway.html.

Этот документ защищен авторским правом. За исключением любой честной сделки с целью частного изучения или исследования, никакая часть не может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в ознакомительных целях.

READ  Европейские космические корабли сближаются с Соединенными Штатами, чтобы летать на ракетах SpaceX

Olga Dmitrieva

Любитель алкоголя. Возмутитель спокойствия. Интроверт. Студент. Любитель социальных сетей. Веб-ниндзя. Поклонник Бэкона. Читатель

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Наверх