février 2, 2023

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Une expérience laser de 50 mètres établit un record dans le couloir de l’université

Un laser est envoyé à travers le couloir UMD dans une expérience pour bloquer la lumière pendant qu’il effectue son vol de 45 mètres. Crédit : Laboratoire Interactions Laser Intenses, UMD

Toutes les universités ne disposent pas d’impulsions laser suffisamment puissantes pour brûler du papier et du cuir, les impulsions lumineuses étant envoyées dans le couloir. Mais c’est ce qui s’est passé à l’Energy Research Facility de l’UMD, un bâtiment banal situé à l’angle nord-est du campus. Si vous visitez la salle utilitaire maintenant grise et blanche, elle ressemblera à n’importe quelle autre salle universitaire – tant que vous ne regardez pas derrière le panneau de liège et que vous ne repérez pas la plaque de métal recouvrant un trou dans le mur.


Mais pendant quelques nuits en 2021, le professeur de physique de l’UMD Howard Melchberg et ses collègues ont transformé le couloir en laboratoire : les surfaces brillantes des portes et de la fontaine à eau ont été recouvertes pour éviter les reflets potentiellement aveuglants ; Les voies reliées à la signalisation, au ruban d’avertissement et privées sont fermées laser– Absorption des rideaux noirs. Les équipements scientifiques et les câbles occupent généralement des espaces de promenade ouverts.

Pendant que les membres de l’équipe faisaient leur travail, un crépitement avertit de la trajectoire dangereusement puissante que le laser avait tracée dans le couloir. Parfois, le vol du faisceau se terminait par un bloc de céramique blanche, remplissant l’air de battements plus forts et d’une tonalité métallique. Chaque nuit, le chercheur s’asseyait seul devant un ordinateur dans le laboratoire adjacent avec un talkie-walkie allumé et faisait les ajustements nécessaires au laser.

Leurs efforts consistaient à transformer temporairement l’air fin en fibres Cable optique—ou, plus précisément, de l’air guide d’onde— Cela dirigerait la lumière sur des dizaines de mètres. Comme l’un des câbles Internet à fibre optique fournissant des autoroutes efficaces pour les flux de données optiques, le guide d’ondes décrit un chemin pour la lumière.

Ces guides d’ondes aériennes ont de nombreuses applications potentielles liées à la collecte ou à la transmission de la lumière, telles que la détection de la lumière émise par la pollution atmosphérique, la communication laser à longue portée ou même les armes laser. En utilisant des guides d’ondes à air, il n’est pas nécessaire de desserrer les câbles rigides et de se soucier des restrictions de gravité ; Au lieu de cela, le câble se forme rapidement sans support dans les airs.

Dans un article accepté pour publication dans la revue X examen physique L’équipe décrit comment ils ont établi un record en dirigeant la lumière dans des ondes de 45 mètres de long et expliquent la physique derrière leur méthode.

Les chercheurs ont mené une alchimie atmosphérique record la nuit pour éviter de déranger (ou de faire trébucher) des collègues ou des étudiants sans méfiance pendant la journée de travail. Ils devaient faire approuver leurs procédures de sécurité avant de pouvoir réaffecter l’entrée.

« Ce fut une expérience vraiment unique », a déclaré Andrew Goffin, un étudiant diplômé en génie électrique et informatique de l’UMD qui a travaillé sur le projet et est l’auteur principal de l’article qui en résulte dans la revue. « Il y a beaucoup de travail qui est consacré à l’imagerie laser en dehors du laboratoire et vous n’avez pas à vous en occuper lorsque vous êtes au laboratoire – comme installer des stores pour la sécurité des yeux. C’était vraiment stressant. »

Tout le travail consistait à déterminer jusqu’où vous pouviez pousser cette technique. Le laboratoire de Milchberg a déjà montré qu’une méthode similaire fonctionne à des distances inférieures à un mètre. Mais les chercheurs ont rencontré un obstacle pour étendre leurs expériences à des dizaines de mètres : leur laboratoire est trop petit et déplacer le laser est peu pratique. Ainsi, un trou dans le mur et un couloir deviennent un espace laboratoire.

« Il y avait des défis importants : l’énorme échelle jusqu’à 50 mètres nous a obligés à reconsidérer la physique de base de la génération de guides d’ondes atmosphériques, ainsi que le désir d’envoyer Laser haute puissance Descendre une galerie publique de 50 mètres entraîne naturellement des problèmes de sécurité majeurs. « Heureusement, nous avons obtenu une excellente coopération à la fois de la physique et du Bureau de la sécurité environnementale du Maryland. »

Sans câbles à fibres optiques ni guides d’ondes, un faisceau de lumière– qu’il s’agisse d’un laser ou d’une lampe de poche – il se dilatera continuellement au fur et à mesure de son déplacement. Si le faisceau est autorisé à se propager sans contrôle, l’intensité du faisceau peut chuter à des niveaux inutiles. Que vous essayiez de recréer un blaster laser de science-fiction ou de détecter les niveaux de polluants dans l’atmosphère en les pompant plein d’énergie avec des lasers et en capturant la lumière émise, il est avantageux de s’assurer que la lumière est délivrée efficacement et ciblée.

La solution potentielle de Milchberg à ce défi de garder la lumière confinée est la lumière supplémentaire – sous la forme d’impulsions laser ultracourtes. Ce projet s’appuie sur des travaux antérieurs de 2014 où son laboratoire a montré qu’ils pouvaient utiliser ces impulsions laser pour sculpter des guides d’ondes dans l’air.

Une expérience laser de 50 mètres établit un couloir record à l'Université du Maryland

Distributions de la lumière laser collectée après le voyage d’entrée sans (gauche) et avec (droit) guide d’ondes. Crédit : Laboratoire Interactions Laser Intenses, UMD

La technique des impulsions courtes utilise la capacité d’un laser à fournir une intensité si élevée le long d’un chemin, appelé filament, qu’il crée un plasma – une phase de la matière où les électrons sont arrachés à leurs atomes. Cette voie énergétique chauffe l’air, de sorte qu’il se dilate et laisse une traînée d’air à faible densité dans le sillage du laser. Le processus est comme une mini version de l’éclairage et du tonnerre dans lequel l’énergie de l’éclair transforme l’air en un plasma qui dilate l’air de manière explosive, créant un coup de tonnerre ; Les bruits de claquement que les chercheurs ont entendus le long du trajet du faisceau provenaient de plus petits cousins ​​des nuages ​​d’orage.

Mais les seuls chemins de filaments à faible densité n’étaient pas ce dont l’équipe avait besoin pour guider le laser. Les chercheurs voulaient un noyau à haute densité (comme les câbles à fibres optiques pour Internet). Par conséquent, ils ont créé un agencement de plusieurs tunnels à faible densité qui se propagent naturellement et fusionnent dans une tranchée entourant un noyau plus dense d’air non perturbé.

Les expériences de 2014 utilisaient une disposition spécifique de seulement quatre fils laser, mais la nouvelle expérience utilisait une nouvelle configuration laser qui redimensionne automatiquement le nombre de fils en fonction de la puissance laser; Les fils se répartissent naturellement autour de l’anneau.

Les chercheurs ont montré que cette technique peut étendre la longueur d’un guide d’ondes atmosphérique, augmentant la puissance qu’il peut fournir à une cible au bout d’un couloir. À la fin du vol laser, le guide d’ondes a retenu environ 20% de la lumière qui aurait autrement été perdue de la zone cible. La distance était environ 60 fois supérieure à son record des expériences précédentes. Les calculs de l’équipe indiquent qu’ils ne sont pas encore proches de la limite théorique de la technologie et indiquent que des efficacités de direction beaucoup plus élevées devraient être atteintes en utilisant la méthode à l’avenir.

« Si nous avions eu une entrée plus longue, nos résultats montrent que nous aurions pu modifier le laser pour avoir un guide d’onde plus long », explique Andrew Tartaro, un étudiant diplômé en physique de l’UMD qui a travaillé sur le projet et est l’un des auteurs de l’article. « Mais nous avons eu notre indice directement dans notre hall. »

Les chercheurs ont également effectué des tests plus courts de huit mètres en laboratoire où ils ont examiné plus en détail la physique en jeu dans le processus. Pour le test le plus court, ils ont pu fournir environ 60 % de la lumière potentiellement perdue à leur cible.

Le son éclatant de la Formation Plasma a été pratiquement utilisé dans leurs tests. En plus d’être une indication de l’endroit où se trouvait le faisceau, il a également fourni des données aux chercheurs. Ils ont utilisé une ligne de 64 microphones pour mesurer la longueur du guide d’ondes et la force du guide d’ondes sur sa longueur (plus d’énergie qui entre dans la fabrication du guide d’ondes se traduit par un craquement plus fort).

L’équipe a découvert que le guide d’ondes ne durait que quelques millisecondes avant de se dissiper dans l’air. Mais c’est une éternité pour les rafales laser que les chercheurs leur envoyaient : la lumière peut parcourir plus de 3 000 kilomètres pendant cette période.

Sur la base de ce que les chercheurs ont appris de leurs expériences et simulations, l’équipe prévoit de mener des expériences pour améliorer la longueur et l’efficacité de leurs guides d’ondes aériennes. Ils prévoient également de diriger différentes couleurs de lumière et d’étudier si un taux de répétition d’impulsions de filament plus rapide peut produire un guide d’ondes pour diriger un faisceau continu à haute énergie.

« Le fait d’avoir une échelle de 50 mètres pour les guides d’ondes stimule littéralement le chemin vers des guides d’ondes plus longs et de nombreuses autres applications », déclare Melchberg. « Sur la base des nouveaux lasers que nous aurons bientôt, nous avons la recette pour étendre nos guides à un kilomètre et au-delà. »

Plus d’information:
A. Goffin et al, guidage optique dans les guides d’ondes aériennes à l’échelle de 50 m, arXiv (2022). DOI : 10.48550/arxiv.2208.04240. (L’article a été accepté pour publication dans la revue X examen physique)

Introduction de
Université du Maryland

la citation: Une expérience laser de 50 mètres établit un record d’entrée à l’université (19 janvier 2023) Extrait le 19 janvier 2023 de https://phys.org/news/2023-01-meter-laser-university-hallway.html

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