Das Experiment demonstriert den Dauerbetrieb einer optischen Faser aus dünner Luft

Forscher der University of Maryland (UMD) haben eine kontinuierlich laufende optische Faser aus dünner Luft demonstriert.

Die gebräuchlichsten optischen Fasern sind Glasstränge, die Licht über große Entfernungen fest einfangen. Diese Fasern sind jedoch aufgrund der Beschädigung des Glases und der Streuung der Laserenergie von den Fasern nicht gut zum Richten extrem hochenergetischer Laser geeignet. Darüber hinaus bedeutete die Notwendigkeit einer physischen Stützstruktur, dass das Glasfaserkabel verlegt werden musste, lange bevor die optischen Signale übertragen oder gesammelt werden konnten.

Howard Milchberg und seine Gruppe in den UMD-Abteilungen für Physik, Elektrotechnik und Informationstechnik und dem Forschungsinstitut für Elektronik und Angewandte Physik haben eine optische Routing-Methode demonstriert, die beide Grenzen überwindet, indem sie ultrakurze Hilfslaserpulse verwendet, um optische Faserführungen in der Luft selbst zu formen .

Diese kurzen Impulse bilden einen Ring aus hochintensiven Lichtstrukturen, die als „Filamente“ bezeichnet werden und Luftmoleküle erhitzen, um einen ausgedehnten Ring aus heißer Luft mit geringer Dichte zu bilden, der einen ungestörten zentralen Bereich umgibt; Genau so ist der Brechungsindex von Lichtwellenleitern aufgebaut. Durch die Verwendung der Luft selbst als Faser können sehr hohe mittlere Kräfte geleitet werden. Um weit entfernte optische Signale zum Aufspüren von Schadstoffen und radioaktiven Quellen zu sammeln, können beispielsweise Luftwellenleiter beliebig „unstrukturiert“ und mit Lichtgeschwindigkeit in beliebige Richtungen gelenkt werden.

In einem im Januar veröffentlichten Experiment X körperliche ÜberprüfungDer Doktorand Andrew Goffin und Kollegen aus Melchbergs Gruppe zeigten, dass diese Technik 50 Meter lange aerodynamische Wellenleiter bilden kann, die mehrere zehn Millisekunden halten, bis sie sich durch Abkühlung durch die Umgebungsluft auflösen.

Diese Wellenleiter, die mit nur einem Watt durchschnittlicher Laserleistung hergestellt werden, können theoretisch mW-Laserstrahlen lenken, was sie zu außergewöhnlichen Kandidaten für gerichtete Energie macht. Das Waveguide-Verfahren ist direkt auf 1 km und länger skalierbar. Der wellenleitererzeugende Laser in dieser Arbeit feuerte jedoch alle 100 ms (10 Hz Wiederholungsrate) einen Impuls ab, mit einer Kühldissipation von mehr als 30 ms, wobei 70 ms zwischen den Schüssen ohne pneumatischen Wellenleiter blieben. Dies ist ein Hindernis beim Richten eines Dauerstrichlasers oder beim Sammeln eines kontinuierlichen optischen Signals.

In einer neuen Notiz in OptikAndrew Goffin, Andrew Tartaro und Melchberg zeigen, dass durch Erhöhen der Wiederholungsrate der wellenleitererzeugenden Impulse auf bis zu 1.000 Hz (ein Impuls pro Millisekunde) der Luftwellenleiter konstant gehalten wird, indem der Wellenleiter schneller erhitzt und vertieft wird als die umgebende Luft kann gekühlt werden. Das Ergebnis ist ein kontinuierlich arbeitender pneumatischer Wellenleiter, der einen eingespeisten Dauerstrich-Laserstrahl lenken kann. Da der Wellenleiter durch wiederholte Erzeugung vertieft wird, verbessert sich die Begrenzungseffizienz des geführten Lichts um das Dreifache bei der höchsten Wiederholungsrate.

Die optische Führung mit kontinuierlichen Wellen verbessert die Nützlichkeit von Luftwellenleitern erheblich: Sie erhöht die maximale mittlere Laserleistung, die übertragen werden kann, und bewahrt die Führungsstruktur zur Verwendung bei der kontinuierlichen Erfassung entfernter optischer Signale. Da kilometerlange und längere Wellenleiter breiter sind, ist die Kühlung langsamer und eine viel niedrigere Wiederholungsrate von 1 kHz wäre notwendig, um den Leiter aufrechtzuerhalten. Diese mildere Anforderung macht es einfach, mit aktueller Lasertechnologie und bescheidenen Leistungspegeln eine Luftwellenführung auf Kilometer- und größere Entfernungen zu erreichen.

„Mit einem Lasersystem, das für die Erzeugung von Wellenleitern geeignet ist, sollte eine kontinuierliche Führung über große Entfernungen einfach zu implementieren sein“, sagte Goffin. „Sobald wir das haben, ist es nur eine Frage der Zeit, bis wir kontinuierliche, hochenergetische Laserstrahlen aussenden und Schadstoffe meilenweit aufspüren.“