Eksperimen laser hampir 50 meter mencatat rekod di lorong universiti

Eksperimen laser hampir 50 meter mencatat rekod di lorong Universiti Maryland

Laser dihantar ke lorong UMD dalam eksperimen ke cahaya kandang sambil membuat perjalanan sejauh 45 meter. Kredit: Makmal Interaksi Jirim Laser Intense, UMD

Ia bukan di setiap universiti bahawa denyutan laser cukup kuat untuk membakar kertas dan kulit dihantar ke lorong. Tetapi itulah yang berlaku di Kemudahan Penyelidikan Tenaga UMD, sebuah bangunan yang kelihatan tidak biasa di sudut timur laut kampus. Jika anda melawat dewan putih dan kelabu utilitarian sekarang, ia kelihatan seperti dewan universiti lain—selagi anda tidak memuncak di belakang papan gabus dan melihat plat logam menutup lubang di dinding.

Tetapi untuk beberapa malam pada tahun 2021, Profesor Fizik UMD Howard Milchberg dan rakan-rakannya mengubah lorong itu menjadi makmal: Permukaan pintu yang berkilat dan air pancutan ditutup untuk mengelakkan pantulan yang berpotensi membutakan; lorong penghubung telah disekat dengan papan tanda, pita peringatan dan khas laser-menyerap langsir hitam; dan peralatan saintifik dan kabel yang didiami ruang berjalan kaki yang biasa terbuka.

Semasa ahli pasukan menjalankan kerja mereka, bunyi gertakan memberi amaran tentang laluan berbahaya yang dipancarkan laser di dalam dewan. Kadang-kadang perjalanan pancaran itu berakhir di blok seramik putih, memenuhi udara dengan bunyi yang lebih kuat dan bunyi logam. Setiap malam, seorang penyelidik duduk bersendirian di komputer di makmal bersebelahan dengan walkie-talkie dan melakukan pelarasan yang diminta pada laser.

Usaha mereka adalah untuk mengubah rupa udara nipis menjadi gentian buat sementara waktu kabel optik—atau, lebih khusus, udara pandu gelombang—yang akan memandu cahaya sejauh berpuluh-puluh meter. Seperti salah satu kabel internet gentian optik yang menyediakan lebuh raya yang cekap untuk aliran data optik, pandu gelombang udara menetapkan laluan untuk cahaya.

Pandu gelombang udara ini mempunyai banyak aplikasi berpotensi yang berkaitan dengan mengumpul atau menghantar cahaya, seperti mengesan cahaya yang dipancarkan oleh pencemaran atmosfera, komunikasi laser jarak jauh atau bahkan senjata laser. Dengan pandu gelombang udara, tidak perlu mencabut kabel pepejal dan bimbang dengan kekangan graviti; sebaliknya, kabel dengan cepat terbentuk tanpa sokongan di udara.

Dalam kertas kerja yang diterima untuk diterbitkan dalam jurnal Kajian Fizikal X pasukan itu menerangkan bagaimana mereka mencipta rekod dengan membimbing cahaya dalam pandu gelombang udara sepanjang 45 meter dan menerangkan fizik di sebalik kaedah mereka.

Para penyelidik menjalankan alkimia atmosfera penetapan rekod mereka pada waktu malam untuk mengelakkan menyusahkan (atau menzapping) rakan sekerja atau pelajar yang tidak curiga semasa hari bekerja. Mereka perlu mendapatkan kelulusan prosedur keselamatan mereka sebelum mereka boleh menggunakan semula lorong itu.

“Ia adalah satu pengalaman yang sangat unik,” kata Andrew Goffin, pelajar siswazah kejuruteraan elektrik dan komputer UMD yang bekerja pada projek itu dan merupakan pengarang utama pada artikel jurnal yang dihasilkan. “Terdapat banyak kerja yang perlu dilakukan untuk menangkap laser di luar makmal yang anda tidak perlu uruskan apabila anda berada di makmal—seperti memasang langsir untuk keselamatan mata. Ia pasti memenatkan.”

Semua kerja adalah untuk melihat sejauh mana mereka boleh menolak teknik itu. Sebelum ini makmal Milchberg menunjukkan bahawa kaedah yang sama berfungsi untuk jarak kurang daripada satu meter. Tetapi para penyelidik mengalami sekatan jalan dalam memanjangkan eksperimen mereka hingga berpuluh-puluh meter: Makmal mereka terlalu kecil dan menggerakkan laser adalah tidak praktikal. Oleh itu, lubang di dinding dan lorong menjadi ruang makmal.

“Terdapat cabaran besar: skala besar sehingga 50 meter memaksa kami untuk mempertimbangkan semula fizik asas penjanaan pandu gelombang udara, serta ingin menghantar laser berkuasa tinggi menyusuri lorong awam sepanjang 50 meter secara semula jadi mencetuskan isu keselamatan utama,” kata Milchberg. “Nasib baik, kami mendapat kerjasama yang sangat baik daripada kedua-dua fizik dan dari pejabat keselamatan alam sekitar Maryland.”

Tanpa kabel gentian optik atau pandu gelombang, a pancaran cahaya—sama ada daripada laser atau lampu suluh—akan terus berkembang semasa ia bergerak. Jika dibiarkan merebak tanpa kawalan, keamatan rasuk boleh turun ke tahap yang tidak berguna. Sama ada anda cuba mencipta semula blaster laser fiksyen sains atau untuk mengesan tahap pencemar di atmosfera dengan mengepamnya penuh tenaga dengan laser dan menangkap cahaya yang dilepaskan, ia membayar untuk memastikan penghantaran cahaya yang cekap dan tertumpu.

Penyelesaian berpotensi Milchberg untuk cabaran mengekalkan cahaya yang terhad ini ialah cahaya tambahan—dalam bentuk denyutan laser ultra-pendek. Projek ini dibina berdasarkan kerja terdahulu dari 2014 di mana makmalnya menunjukkan bahawa mereka boleh menggunakan denyutan laser sedemikian untuk mengukir pandu gelombang di udara.

Eksperimen laser hampir 50 meter mencatat rekod di lorong Universiti Maryland

Pengagihan cahaya laser yang dikumpul selepas perjalanan lorong tanpa pandu gelombang (kiri) dan dengan pandu gelombang (kanan). Kredit: Makmal Interaksi Jirim Laser Intense, UMD

Teknik nadi pendek menggunakan keupayaan laser untuk memberikan keamatan yang tinggi di sepanjang laluan, dipanggil filamen, sehingga menghasilkan plasma—fasa jirim di mana elektron telah terkoyak bebas daripada atomnya. Laluan bertenaga ini memanaskan udara, jadi ia mengembang dan meninggalkan laluan udara berketumpatan rendah di belakang laser. Proses ini menyerupai versi kecil pencahayaan dan guruh di mana tenaga kilat memancarkan udara menjadi plasma yang mengembang udara secara meletup, mewujudkan bunyi guruh; bunyi letupan yang didengari penyelidik di sepanjang laluan pancaran adalah sepupu-sepupu kecil guruh.

Tetapi laluan filamen berketumpatan rendah ini sendiri bukanlah yang diperlukan oleh pasukan untuk membimbing laser. Para penyelidik mahukan teras berketumpatan tinggi (sama seperti kabel gentian optik internet). Jadi, mereka mencipta susunan berbilang terowong berketumpatan rendah yang secara semula jadi meresap dan bergabung menjadi parit mengelilingi teras udara yang lebih padat tanpa gangguan.

Percubaan 2014 menggunakan susunan set hanya empat filamen laser, tetapi percubaan baharu mengambil kesempatan daripada persediaan laser novel yang secara automatik meningkatkan bilangan filamen bergantung pada tenaga laser; filamen secara semula jadi mengedarkan diri mereka di sekeliling cincin.

Para penyelidik menunjukkan bahawa teknik itu boleh memanjangkan panjang pandu gelombang udara, meningkatkan kuasa yang boleh mereka sampaikan ke sasaran di hujung lorong. Pada akhir perjalanan laser, pandu gelombang telah menyimpan kira-kira 20% cahaya yang jika tidak akan hilang dari kawasan sasaran mereka. Jaraknya adalah kira-kira 60 kali lebih jauh daripada rekod mereka daripada eksperimen sebelumnya. Pengiraan pasukan mencadangkan bahawa mereka belum lagi menghampiri had teori teknik, dan mereka mengatakan bahawa kecekapan panduan yang lebih tinggi harus mudah dicapai dengan kaedah pada masa hadapan.

“Jika kami mempunyai lorong yang lebih panjang, keputusan kami menunjukkan bahawa kami boleh melaraskan laser untuk pandu gelombang yang lebih panjang, ” kata Andrew Tartaro, pelajar siswazah fizik UMD yang bekerja pada projek itu dan merupakan pengarang di atas kertas. “Tetapi kami mendapat pemandu kami tepat untuk lorong yang kami ada.”

Para penyelidik juga melakukan ujian lapan meter yang lebih pendek di makmal di mana mereka menyiasat fizik yang bermain dalam proses dengan lebih terperinci. Untuk ujian yang lebih pendek, mereka berjaya menyampaikan kira-kira 60% daripada cahaya yang berpotensi hilang kepada sasaran mereka.

Bunyi letusan pembentukan plasma telah digunakan secara praktikal dalam ujian mereka. Selain menjadi petunjuk di mana pancaran itu berada, ia juga menyediakan data kepada penyelidik. Mereka menggunakan barisan 64 mikrofon untuk mengukur panjang pandu gelombang dan sejauh mana kuat pandu gelombang sepanjang panjangnya (lebih banyak tenaga yang digunakan untuk membuat pandu gelombang diterjemahkan kepada bunyi yang lebih kuat).

Pasukan itu mendapati bahawa pandu gelombang hanya bertahan selama seperseratus saat sebelum melesap kembali ke udara nipis. Tetapi begitu lama untuk letupan laser yang dihantar oleh penyelidik melaluinya: Cahaya boleh merentasi lebih daripada 3,000 km pada masa itu.

Berdasarkan apa yang penyelidik pelajari daripada eksperimen dan simulasi mereka, pasukan itu merancang eksperimen untuk meningkatkan lagi panjang dan kecekapan pandu gelombang udara mereka. Mereka juga merancang untuk membimbing warna cahaya yang berbeza dan untuk menyiasat sama ada kadar pengulangan nadi filamen yang lebih pantas boleh menghasilkan pandu gelombang untuk menyalurkan pancaran kuasa tinggi yang berterusan.

“Mencapai skala 50 meter untuk pandu gelombang udara benar-benar menyalakan laluan untuk pandu gelombang yang lebih panjang dan banyak aplikasi,” kata Milchberg. “Berdasarkan laser baharu yang akan kami perolehi tidak lama lagi, kami mempunyai resipi untuk melanjutkan panduan kami ke satu kilometer dan seterusnya.”

Maklumat lanjut:
A. Goffin et al, Pemandu optik dalam pandu gelombang udara berskala 50 meter, arXiv (2022). DOI: 10.48550/arxiv.2208.04240. (kertas yang diterima untuk diterbitkan dalam jurnal Kajian Fizikal X)

Disediakan oleh
Universiti Maryland


Petikan: Hampir 50 meter eksperimen laser mencatat rekod di lorong universiti (2023, 19 Januari) diperoleh 20 Januari 2023 daripada

Dokumen ini tertakluk kepada hak cipta. Selain daripada sebarang urusan adil untuk tujuan kajian atau penyelidikan persendirian, tiada bahagian boleh diterbitkan semula tanpa kebenaran bertulis. Kandungan disediakan untuk tujuan maklumat sahaja.

We wish to give thanks to the writer of this article for this awesome content

Eksperimen laser hampir 50 meter mencatat rekod di lorong universiti


Check out our social media profiles and other pages related to themhttps://paw6.info/related-pages/