Эксперимент демонстрирует непрерывно работающее оптическое волокно из воздуха

3 мая 2023 г.

Эта статья была проверена в соответствии с редакционным процессом и политикой Science X. Редакторы выделили следующие атрибуты, гарантируя при этом достоверность контента:

проверенный фактами

рецензируемое издание

надежный источник

корректура

Университетом Мэриленда

Исследователи из Университета Мэриленда (UMD) продемонстрировали непрерывно работающее оптическое волокно, сделанное из воздуха.

Наиболее распространенными оптическими волокнами являются стеклянные нити, которые плотно удерживают свет на больших расстояниях. Однако эти волокна плохо подходят для направления чрезвычайно мощных лазерных лучей из-за повреждения стекла и рассеяния лазерной энергии за пределами волокна. Кроме того, необходимость в физической опорной конструкции означает, что стекловолокно должно быть проложено задолго до передачи или сбора светового сигнала.

Говард Милчберг и его группа на факультетах физики, электротехники и вычислительной техники UMD и Институте исследований в области электроники и прикладной физики продемонстрировали метод оптического наведения, который преодолевает оба ограничения, используя вспомогательные ультракороткие лазерные импульсы для создания оптоволоконных волноводов в самом воздухе.

Эти короткие импульсы образуют кольцо световых структур высокой интенсивности, называемых «нитями», которые нагревают молекулы воздуха, образуя протяженное кольцо нагретого воздуха низкой плотности, окружающее центральную невозмущенную область; это именно структура показателя преломления оптического волокна. Используя сам воздух в качестве волокна, потенциально можно управлять очень высокими средними мощностями. А для сбора удаленных оптических сигналов, например, для обнаружения загрязняющих веществ и радиоактивных источников, воздушный волновод можно произвольно «размотать» и направить со скоростью света в любом направлении.

В эксперименте, опубликованном в январе в Physical Review X, аспирант Эндрю Гоффин и его коллеги из группы Мильхберга показали, что этот метод может формировать воздушные волноводы длиной 50 метров, которые сохраняются в течение десятков миллисекунд, пока не рассеются в результате охлаждения окружающим воздухом.

Генерируемые с использованием средней мощности лазера всего в один ватт, эти волноводы теоретически могут направлять лазерные лучи средней мощности мегаватт, что делает их исключительными кандидатами для направленной энергии. Волноводный метод легко масштабируется до 1 километра и более. Однако лазер, генерирующий волноводы, в этой работе излучал импульс каждые 100 миллисекунд (частота повторения 10 Гц) с рассеянием охлаждения более 30 миллисекунд, в результате чего между выстрелами оставалось 70 миллисекунд при отсутствии воздушного волновода. Это является препятствием для направления лазера непрерывного действия или сбора непрерывного оптического сигнала.

В новом меморандуме в журнале «Оптика» Эндрю Гоффин, Эндрю Тартаро и Мильчберг показывают, что за счет увеличения частоты повторения импульса, генерирующего волновод, до 1000 Гц (импульс каждую миллисекунду), воздушный волновод постоянно поддерживается за счет нагрева и углубления волновод быстрее, чем окружающий воздух сможет его охладить. Результатом является непрерывно работающий воздушный волновод, который может направлять инжектированный лазерный луч непрерывного действия. Поскольку волновод углубляется из-за повторяющейся генерации, эффективность удержания направленного света увеличивается в три раза при самой высокой частоте повторения.

Оптическое наведение непрерывной волны значительно повышает полезность воздушных волноводов: оно увеличивает максимальную среднюю мощность лазера, которую можно транспортировать, и сохраняет направляющую структуру для использования при непрерывном сборе удаленных оптических сигналов. А поскольку волноводы километрового и более длинного размера шире, охлаждение происходит медленнее, и для поддержания волновода потребуется частота повторения значительно ниже 1 кГц. Это более мягкое требование позволяет легко достижимо непрерывное воздушное волноводство на километры и более дальние расстояния с помощью существующей лазерной технологии и скромных уровней мощности.