Forscher der University of Maryland (UMD) haben eine kontinuierlich arbeitende optische Faser aus dünner Luft demonstriert.
Die gebräuchlichsten optischen Fasern sind Glasstränge, die das Licht über große Entfernungen eng einschließen. Diese Fasern sind jedoch aufgrund von Glasschäden und Streuung von Laserenergie aus der Faser nicht gut geeignet, um Laserstrahlen mit extrem hoher Leistung zu führen. Außerdem bedeutet die Notwendigkeit einer physikalischen Stützstruktur, dass Glasfasern lange vor der Übertragung oder Sammlung von Lichtsignalen verlegt werden müssen.
Howard Milchberg und seine Gruppe in den UMD-Abteilungen für Physik und Elektrotechnik und Computertechnik sowie dem Institut für Forschung in Elektronik und angewandter Physik haben eine optische Führungsmethode demonstriert, die beide Einschränkungen überwindet, indem sie ultrakurze Laserpulse verwendet, um faseroptische Wellenleiter in der Luft selbst zu formen.
Diese kurzen Impulse bilden einen Ring aus hochintensiven Lichtstrukturen, die als „Filamente“ bezeichnet werden und die Luftmoleküle erhitzen, um einen ausgedehnten Ring aus erwärmter Luft mit geringer Dichte zu bilden, der einen zentralen, ungestörten Bereich umgibt. genau dies ist die Brechungsindexstruktur einer optischen Faser. Mit Luft selbst als Faser können potentiell sehr hohe mittlere Leistungen geführt werden. Und zum Einsammeln von optischen Fernsignalen zum Aufspüren von Schadstoffen und radioaktiven Quellen beispielsweise kann der Luftwellenleiter beliebig „abgespult“ und mit Lichtgeschwindigkeit in jede beliebige Richtung gelenkt werden.
In einem im Januar veröffentlichten Experiment in Körperliche Überprüfung XDoktorand Andrew Goffin und Kollegen aus Milchbergs Gruppe zeigten, dass diese Technik 50 Meter lange Luftwellenleiter bilden kann, die mehrere zehn Millisekunden lang bestehen bleiben, bis sie sich durch Abkühlung durch die Umgebungsluft auflösen.
Diese Wellenleiter, die mit nur einem Watt durchschnittlicher Laserleistung erzeugt werden, könnten theoretisch Megawatt-Laserstrahlen mit durchschnittlicher Leistung leiten, was sie zu außergewöhnlichen Kandidaten für gerichtete Energie macht. Das Waveguide-Verfahren ist ohne weiteres auf 1 Kilometer und länger skalierbar. Der wellenleitererzeugende Laser in dieser Arbeit feuerte jedoch alle 100 Millisekunden (Wiederholungsrate von 10 Hz) einen Impuls ab, mit einer Kühldissipation von über 30 Millisekunden, sodass zwischen den Schüssen 70 Millisekunden ohne vorhandenen Luftwellenleiter verblieben. Dies ist ein Hindernis beim Leiten eines Dauerstrichlasers oder beim Sammeln eines kontinuierlichen optischen Signals.
In einem neuen Memorandum in Optik, Andrew Goffin, Andrew Tartaro und Milchberg zeigen, dass durch Erhöhen der Wiederholungsrate des wellenleitererzeugenden Impulses auf bis zu 1000 Hz (ein Impuls pro Millisekunde) der Luftwellenleiter kontinuierlich aufrechterhalten wird, indem der Wellenleiter schneller erhitzt und vertieft wird als die umgebende Luft kann es kühlen. Das Ergebnis ist ein kontinuierlich arbeitender Luftwellenleiter, der einen eingespeisten Dauerstrich-Laserstrahl führen kann. Da der Wellenleiter durch wiederholte Erzeugung vertieft wird, verbessert sich die Effizienz des geführten Lichteinschlusses um einen Faktor von drei bei der höchsten Wiederholungsrate.
Die optische Führung mit kontinuierlichen Wellen verbessert die Nützlichkeit von Luftwellenleitern erheblich: sie erhöht die maximale durchschnittliche Laserleistung, die man transportieren kann, und erhält die Führungsstruktur für die Verwendung bei der kontinuierlichen Sammlung von entfernten optischen Signalen aufrecht. Und weil kilometerlange und längere Wellenleiter breiter sind, ist die Kühlung langsamer und eine Wiederholungsrate deutlich unter 1 kHz wird benötigt, um den Leiter aufrechtzuerhalten. Diese mildere Anforderung macht eine kontinuierliche Luftwellenleitung über Kilometer und größere Reichweiten mit vorhandener Lasertechnologie und bescheidenen Leistungspegeln leicht erreichbar.
„Mit einem geeigneten Lasersystem zur Erzeugung des Wellenleiters sollte eine kontinuierliche Führung über große Entfernungen problemlos möglich sein“, sagte Goffin. „Sobald wir das haben, ist es nur eine Frage der Zeit, bis wir kontinuierliche Hochleistungslaserstrahlen senden und Schadstoffe aus meilenweiter Entfernung erkennen können.“
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A. Goffin et al, Quasi-Steady-State Air Waveguide, Optik (2023). DOI: 10.1364/OPTICA.487292