«Опасно мощный» лазерный эксперимент установил рекорд в коридоре университета

Университет Мэриленда, 13 февраля 2023 г.

Лазер направляется по коридору UMD в ходе эксперимента по сдерживанию света, пока он преодолевает 45-метровое расстояние. Фото: Лаборатория интенсивного взаимодействия лазера и материи, UMD.

Не в каждом университете лазерные импульсы, достаточно мощные, чтобы сжечь бумагу и кожу, пылают в коридоре. Но именно это произошло в Центре энергетических исследований UMD, ничем не примечательном здании в северо-восточном углу кампуса. Если вы сейчас посетите утилитарный бело-серый зал, он будет похож на любой другой университетский зал — если только 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 Милчберг и его коллеги превратили коридор в лабораторию: блестящие поверхности дверей и фонтана были закрыты, чтобы избежать потенциально ослепляющих отражений; смежные коридоры были перегорожены знаками, предупреждающей лентой и специальными черными шторами, поглощающими лазерное излучение; а научное оборудование и кабели обычно находились в открытом пространстве для прогулок.

Когда члены команды приступили к работе, щелкающий звук предупредил об опасно мощном пути, проложенном лазером по коридору. Иногда путь луча заканчивался белым керамическим блоком, наполняя воздух громкими хлопками и металлическим привкусом. Каждую ночь исследователь сидел один за компьютером в соседней лаборатории с рацией и выполнял требуемые настройки лазера.

Слева направо: Эрик Розенталь, физик из Исследовательской лаборатории ВМС США; Энтони Валенсуэла, физик из Исследовательской лаборатории армии США; и Эндрю Гоффин, аспирант факультета электротехники и вычислительной техники UMD, настраивают оптику на иллюминаторе в стене, чтобы направить лазерный луч из лаборатории по коридору. Фото: Лаборатория интенсивного взаимодействия лазера и материи, UMD.

Их усилия заключались в том, чтобы временно преобразовать разреженный воздух в оптоволоконный кабель — или, точнее, в воздушный волновод, — который мог бы направлять свет на десятки метров. Подобно одному из оптоволоконных интернет-кабелей, которые обеспечивают эффективные магистрали для потоков оптических данных, воздушный волновод прописывает 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 на большие расстояния или даже для лазерного оружия. При использовании воздушного волновода нет необходимости разматывать твердый кабель и беспокоиться об ограничениях силы тяжести; вместо этого кабель быстро теряет опору в воздухе. В статье, принятой к публикации в журнале Physical Review X, команда описала, как они установили рекорд, направляя свет по воздушным волноводам длиной 45 метров, и объяснила физику, лежащую в основе их метода.

Исследователи провели свою рекордную атмосферную алхимию ночью, чтобы не доставлять неудобства коллегам или ничего не подозревающим студентам в течение рабочего дня. Прежде чем перепрофилировать коридор, им нужно было утвердить процедуры безопасности.

«Это был действительно уникальный опыт», — говорит Эндрю Гоффин, аспирант UMD в области электротехники и вычислительной техники, который работал над проектом и является ведущим автором итоговой журнальной статьи. «Есть много работы по стрельбе лазерами за пределами лаборатории, с которой вам не придется иметь дело, когда вы находитесь в лаборатории — например, завешивать шторы для безопасности глаз. Это определенно утомительно».

Распределение лазерного света, полученного после прохождения по коридору без волновода (слева) и с волноводом (справа). Фото: Лаборатория интенсивного взаимодействия лазера и материи, UMD.

Вся работа заключалась в том, чтобы увидеть, насколько далеко они смогут продвинуть эту технику. Ранее лаборатория Мильхберга продемонстрировала, что аналогичный метод работает на расстояниях менее метра. Но исследователи столкнулись с препятствием в расширении своих экспериментов на десятки метров: их лаборатория слишком мала, а перемещать лазер непрактично. Таким образом, дыра в стене и коридор становятся лабораторным помещением.