Une expérience démontre une fibre optique fonctionnant en continu faite d’air fin

Des chercheurs de l’Université du Maryland (UMD) ont démontré une fibre optique fonctionnant en continu faite d’air fin.

Les fibres optiques les plus courantes sont des brins de verre qui confinent étroitement la lumière sur de longues distances. Cependant, ces fibres ne sont pas bien adaptées pour guider des faisceaux laser de très haute puissance en raison des dommages au verre et de la diffusion de l’énergie laser hors de la fibre. De plus, le besoin d’une structure de support physique signifie que la fibre de verre doit être posée longtemps avant la transmission ou la collecte du signal lumineux.

Howard Milchberg et son groupe des départements de physique et de génie électrique et informatique de l’UMD et de l’Institut de recherche en électronique et physique appliquée ont démontré une méthode de guidage optique qui dépasse les deux limitations, en utilisant des impulsions laser ultracourtes auxiliaires pour sculpter des guides d’ondes à fibre optique dans l’air lui-même.

Ces courtes impulsions forment un anneau de structures lumineuses à haute intensité appelées « filaments », qui chauffent les molécules d’air pour former un anneau étendu d’air chauffé à faible densité entourant une région centrale non perturbée ; c’est exactement la structure d’indice de réfraction d’une fibre optique. Avec l’air lui-même comme fibre, des puissances moyennes très élevées peuvent potentiellement être guidées. Et pour la collecte de signaux optiques à distance pour détecter des polluants et des sources radioactives, par exemple, le guide d’ondes à air peut être arbitrairement « déroulé » et dirigé à la vitesse de la lumière dans n’importe quelle direction.

Dans une expérience publiée en janvier dans Examen physique Xl’étudiant diplômé Andrew Goffin et ses collègues du groupe de Milchberg ont montré que cette technique peut former des guides d’ondes d’air de 50 mètres de long qui persistent pendant des dizaines de millisecondes jusqu’à ce qu’ils se dissipent du refroidissement par l’air ambiant.

Générés à l’aide d’un seul watt de puissance laser moyenne, ces guides d’ondes pourraient théoriquement guider des faisceaux laser de puissance moyenne d’un mégawatt, ce qui en fait des candidats exceptionnels pour l’énergie dirigée. La méthode du guide d’ondes est directement évolutive jusqu’à 1 kilomètre et plus. Cependant, le laser générateur de guide d’ondes dans ce travail a déclenché une impulsion toutes les 100 millisecondes (taux de répétition de 10 Hz), avec une dissipation de refroidissement de plus de 30 millisecondes, laissant 70 millisecondes entre les tirs sans guide d’ondes à air présent. Ceci est un obstacle au guidage d’un laser à onde continue ou à la collecte d’un signal optique continu.

Dans un nouveau mémorandum en Optique, Andrew Goffin, Andrew Tartaro et Milchberg montrent qu’en augmentant le taux de répétition de l’impulsion générant le guide d’ondes jusqu’à 1000 Hz (une impulsion toutes les millisecondes), le guide d’ondes à air est maintenu en permanence en chauffant et en approfondissant le guide d’ondes plus rapidement que l’air ambiant peut le refroidir. Le résultat est un guide d’ondes à air fonctionnant en continu qui peut guider un faisceau laser à onde continue injecté. Étant donné que le guide d’ondes est approfondi par la génération répétitive, l’efficacité du confinement de la lumière guidée s’améliore d’un facteur trois au taux de répétition le plus élevé.

Le guidage optique à onde continue améliore considérablement l’utilité des guides d’ondes à air : il augmente la puissance laser moyenne maximale que l’on peut transporter et maintient la structure de guidage pour une utilisation dans la collecte continue de signaux optiques distants. Et parce que les guides d’ondes kilométriques et plus longs sont plus larges, le refroidissement est plus lent et un taux de répétition bien inférieur à 1 kHz sera nécessaire pour maintenir le guide. Cette exigence plus clémente rend le guidage continu des ondes d’air sur des kilomètres et des portées plus longues facilement réalisable avec la technologie laser existante et des niveaux de puissance modestes.

« Avec un système laser approprié pour générer le guide d’ondes, le guidage continu à longue distance devrait être facilement réalisable », a déclaré Goffin. « Une fois que nous avons cela, ce n’est qu’une question de temps avant que nous transmettions des faisceaux laser continus de haute puissance et détections les polluants à des kilomètres. »