Nicht an jeder Universität werden Laserpulse, die stark genug sind, um Papier und Haut zu verbrennen, durch einen Flur geschossen. Aber genau das geschah in der Energy Research Facility der UMD, einem unauffällig aussehenden Gebäude an der nordöstlichen Ecke des Campus. Wenn Sie jetzt die zweckmäßige weiß-graue Halle besuchen, erscheint sie wie jede andere Universitätshalle – solange Sie nicht hinter eine Korkplatte blicken und die Metallplatte entdecken, die ein Loch in der Wand bedeckt.
Doch für ein paar Nächte im Jahr 2021 verwandelten UMD-Physikprofessor Howard Milchberg und seine Kollegen den Flur in ein Labor: Die glänzenden Oberflächen der Türen und eines Wasserbrunnens wurden abgedeckt, um potenziell blendende Reflexionen zu vermeiden; Verbindungskorridore wurden mit Schildern, Absperrbändern und speziellen laserabsorbierenden schwarzen Vorhängen abgesperrt; und wissenschaftliche Ausrüstung und Kabel bewohnten normalerweise offenen Gehraum.
Als die Mitglieder des Teams ihrer Arbeit nachgingen, warnte ein Knackgeräusch vor dem gefährlich mächtigen Weg, den der Laser den Flur hinunter bahnte. Manchmal endete die Reise des Strahls an einem weißen Keramikblock, der die Luft mit lauteren Knallen und einem metallischen Hauch erfüllte. Jede Nacht saß ein Forscher mit einem Walkie-Talkie allein an einem Computer im angrenzenden Labor und nahm die gewünschten Einstellungen am Laser vor.
Ihre Bemühungen bestanden darin, dünne Luft vorübergehend in ein Glasfaserkabel – oder genauer gesagt einen Luftwellenleiter – zu verwandeln, das Licht über mehrere zehn Meter leiten würde. Wie eines der Glasfaser-Internetkabel, das effiziente Autobahnen für optische Datenströme bietet, schreibt ein Luftwellenleiter einen Weg für Licht vor.
Diese Luftwellenleiter haben viele potenzielle Anwendungen im Zusammenhang mit dem Sammeln oder Übertragen von Licht, wie z. B. das Erkennen von Licht, das durch Luftverschmutzung, Langstrecken-Laserkommunikation oder sogar Laserwaffen emittiert wird. Bei einem Luftwellenleiter besteht keine Notwendigkeit, ein festes Kabel abzuspulen und sich mit den Einschränkungen der Schwerkraft zu befassen; stattdessen bildet sich das Kabel schnell freitragend in der Luft.
In einem Artikel, der zur Veröffentlichung in der Zeitschrift angenommen wurde Körperliche Überprüfung X Das Team beschrieb, wie sie einen Rekord aufstellten, indem sie Licht in 45 Meter langen Luftwellenleitern leiteten, und erklärte die Physik hinter ihrer Methode.
Die Forscher führten ihre rekordverdächtige atmosphärische Alchemie nachts durch, um Kollegen oder ahnungslose Schüler während des Arbeitstages nicht zu belästigen (oder zu zappen). Sie mussten ihre Sicherheitsverfahren genehmigen lassen, bevor sie den Flur umfunktionieren konnten.
„Es war eine wirklich einzigartige Erfahrung“, sagt Andrew Goffin, ein UMD-Student in Elektro- und Computertechnik, der an dem Projekt mitgearbeitet hat und Hauptautor des daraus resultierenden Zeitschriftenartikels ist. „Das Aufnehmen von Lasern außerhalb des Labors erfordert viel Arbeit, mit der Sie sich nicht beschäftigen müssen, wenn Sie im Labor sind – wie das Aufziehen von Vorhängen zum Schutz der Augen. Es war definitiv anstrengend.“
Die ganze Arbeit bestand darin, zu sehen, wie weit sie die Technik bringen konnten. Zuvor hatte das Labor von Milchberg gezeigt, dass eine ähnliche Methode für Entfernungen von weniger als einem Meter funktioniert. Aber die Forscher stießen bei der Ausweitung ihrer Experimente auf mehrere zehn Meter auf ein Hindernis: Ihr Labor ist zu klein und das Bewegen des Lasers unpraktisch. So wird aus einem Loch in der Wand und einem Flur ein Laborraum.
„Es gab große Herausforderungen: Die enorme Skalierung auf 50 Meter zwang uns, die grundlegende Physik der Luftwellenleitererzeugung zu überdenken, und der Wunsch, einen Hochleistungslaser durch einen 50 Meter langen öffentlichen Flur zu schicken, löst natürlich große Sicherheitsprobleme aus. “, sagt Milchberg. „Glücklicherweise haben wir sowohl von der Physik als auch vom Umweltsicherheitsamt von Maryland eine hervorragende Zusammenarbeit erhalten.“
Ohne Glasfaserkabel oder Wellenleiter dehnt sich ein Lichtstrahl – ob von einem Laser oder einer Taschenlampe – auf seinem Weg kontinuierlich aus. Wenn er sich ungehindert ausbreiten kann, kann die Intensität eines Strahls auf unbrauchbare Werte abfallen. Egal, ob Sie versuchen, einen Science-Fiction-Laserblaster nachzubauen oder Schadstoffwerte in der Atmosphäre zu erkennen, indem Sie sie mit einem Laser mit Energie vollpumpen und das freigesetzte Licht einfangen, es lohnt sich, eine effiziente, konzentrierte Abgabe des Lichts sicherzustellen.
Milchbergs potenzielle Lösung für diese Herausforderung, das Licht einzudämmen, ist zusätzliches Licht – in Form von ultrakurzen Laserpulsen. Dieses Projekt baute auf früheren Arbeiten aus dem Jahr 2014 auf, in denen sein Labor demonstrierte, dass sie solche Laserpulse verwenden können, um Wellenleiter in der Luft zu formen.
Die Kurzpulstechnik nutzt die Fähigkeit eines Lasers, entlang eines als Filament bezeichneten Pfads eine so hohe Intensität bereitzustellen, dass ein Plasma entsteht – eine Materiephase, in der Elektronen aus ihren Atomen herausgerissen wurden. Dieser energetische Pfad erwärmt die Luft, sodass sie sich ausdehnt und einen Pfad aus Luft mit geringer Dichte im Nachlauf des Lasers hinterlässt. Dieser Vorgang ähnelt einer winzigen Version von Blitz und Donner, bei der die Energie des Blitzes die Luft in ein Plasma verwandelt, das die Luft explosionsartig ausdehnt und den Donnerschlag erzeugt. Die knallenden Geräusche, die die Forscher entlang des Strahlengangs hörten, waren die winzigen Verwandten des Donners.
Aber diese Filamentpfade mit geringer Dichte allein waren nicht das, was das Team brauchte, um einen Laser zu führen. Die Forscher wollten einen Kern mit hoher Dichte (wie Internet-Glasfaserkabel). Also schufen sie eine Anordnung aus mehreren Tunneln mit geringer Dichte, die auf natürliche Weise diffundieren und in einen Graben übergehen, der einen dichteren Kern aus ungestörter Luft umgibt.
Die Experimente von 2014 verwendeten eine festgelegte Anordnung von nur vier Laserfilamenten, aber das neue Experiment nutzte einen neuartigen Laseraufbau, der die Anzahl der Filamente abhängig von der Laserenergie automatisch hochskaliert; die Filamente verteilen sich natürlich um einen Ring.
Die Forscher zeigten, dass die Technik die Länge des Luftwellenleiters verlängern und die Leistung erhöhen könnte, die sie an ein Ziel am Ende des Flurs liefern könnten. Am Ende der Reise des Lasers hatte der Wellenleiter etwa 20 % des Lichts zurückgehalten, das andernfalls von seinem Zielbereich verloren gegangen wäre. Die Entfernung war etwa 60-mal weiter als ihr Rekord aus früheren Experimenten. Die Berechnungen des Teams deuten darauf hin, dass sie noch nicht in der Nähe der theoretischen Grenze der Technik sind, und sie sagen, dass mit der Methode in Zukunft viel höhere Führungseffizienzen leicht erreichbar sein sollten.
„Wenn wir einen längeren Flur hätten, zeigen unsere Ergebnisse, dass wir den Laser für einen längeren Wellenleiter hätten anpassen können“, sagt Andrew Tartaro, ein UMD-Physik-Doktorand, der an dem Projekt mitgearbeitet hat und Autor des Papiers ist. „Aber wir haben unseren Führer für den Flur, den wir haben, genau richtig gemacht.“
Die Forscher führten im Labor auch kürzere Acht-Meter-Tests durch, bei denen sie die dabei ablaufenden physikalischen Vorgänge genauer untersuchten. Für den kürzeren Test gelang es ihnen, etwa 60 % des möglicherweise verlorenen Lichts an ihr Ziel zu liefern.
Das knallende Geräusch der Plasmabildung wurde in ihren Tests praktisch genutzt. Es war nicht nur ein Hinweis darauf, wo sich der Strahl befand, sondern lieferte den Forschern auch Daten. Sie verwendeten eine Reihe von 64 Mikrofonen, um die Länge des Wellenleiters zu messen und wie stark der Wellenleiter entlang seiner Länge war (mehr Energie, die in die Herstellung des Wellenleiters fließt, führt zu einem lauteren Knall).
Das Team stellte fest, dass der Wellenleiter nur Hundertstelsekunden hielt, bevor er sich wieder in Luft auflöste. Aber das sind Äonen für die Laserstöße, die die Forscher durch es geschickt haben: Licht kann in dieser Zeit mehr als 3.000 km zurücklegen.
Basierend auf den Erkenntnissen der Forscher aus ihren Experimenten und Simulationen plant das Team Experimente, um die Länge und Effizienz ihrer Luftwellenleiter weiter zu verbessern. Sie planen auch, verschiedene Lichtfarben zu leiten und zu untersuchen, ob eine schnellere Filamentpulswiederholungsrate einen Wellenleiter erzeugen kann, um einen kontinuierlichen Hochleistungsstrahl zu kanalisieren.
„Das Erreichen der 50-Meter-Skala für Luftwellenleiter ebnet buchstäblich den Weg für noch längere Wellenleiter und viele Anwendungen“, sagt Milchberg. „Basierend auf neuen Lasern, die wir bald bekommen werden, haben wir das Rezept, um unsere Führungen auf einen Kilometer und mehr auszudehnen.“
Mehr Informationen:
A. Goffin et al, Optische Führung in Luftwellenleitern im 50-Meter-Maßstab, arXiv (2022). DOI: 10.48550/arxiv.2208.04240. (Artikel zur Veröffentlichung in der Zeitschrift angenommen Körperliche Überprüfung X)