Физики проложили 45-метровый воздушный волновод по коридору университета

Американские физики поставили рекорд в формировании воздушного волновода, проведя миллиджоулевый фемтосекундный импульс зеленого цвета на расстояние 45 метров. Для этого физикам потребовалось задействовать коридор университета, поскольку размеров лаборатории им не хватило. Эффективность передачи при этом достигла 20 процентов. Исследование опубликовано в Physical Review X.

Оптические волокна повсеместно используются для передачи информации в телекоммуникационных сетях различных уровней. Применяют их и в физических экспериментах в лаборатории. Однако, волоконный подход можно использовать не во всех задачах, особенно тех, что касаются дистанционной доставки излучения. Вместо этого лазерные лучи отправляют по воздуху, что необходимо для решения целого ряда военных и гражданских проблем.

Воздушная передача сопряжена с множеством трудностей, включающих помехи природного (осадки, засветка от Солнца) или фундаментального характера. В последнем случае речь идет о неизбежном дифракционном расширении луча с расстоянием, что сильно ограничивает передачу лазерной энергии.

Для решения этой проблемы в 2014 году Ховард Мильхберг (Howard Milchberg) и его коллеги из Мэрилендского университета предложили создавать в воздухе короткоживущие воздушные волноводы, формируя их с помощью эффекта филаментации дополнительных лазерных лучей. В тот раз это позволило распространить по воздуху зеленый сигнальный луч на 70 сантиметров. Теперь же команда Мильхберга вместе с коллегами из других американских научных центров добилась формирования 45-метрового воздушного волновода.

Принцип действия оптического волновода основан на эффекте полного внутреннего отражения. Его испытывает луч, который распространяется по сердцевине волокна. В простейшем случае показатель преломления сердцевины больше, чем показатель преломления оболочки, что делает возможным полное внутреннее отражение, не выпускающее излучение наружу.

В случае с воздухом используется такой же принцип. Середина воздушного волокна представляет собой невозмущенный воздух, чей показатель преломления отличается от единицы в четвертом знаке после запятой. Тот факт, что эта физическая величина зависит от плотности газа, открывает дорогу к формированию воздушных оптических элементов. Для этого необходимо правильным образом нагревать воздух в пространстве (то есть уменьшить его плотность и показатель преломления) с помощью дополнительных лазерных лучей (например, так можно формировать зонные пластинки для сверхинтенсивного излучения).

Впрочем, на пути к формированию длинного воздушного волновода стоит проблема того, что сами формирующие лучи подвержены дифракционной расфокусировке. На помощь физикам в этом вопросе пришло явление филаментации, в котором эффектам дифракции противостоят эффекты самофокусировки за счет нелинейности. В предыдущем исследовании группа Мильхберга пропускала инфракрасное фемтосекундное излучение через четырехсегментную маску, в результате чего сердцевина воздушного волокна, по которому шел зеленый фемтосекундный импульс, была сформирована четырьмя лазерными нитями.

Отсутствие вращательной симметрии у филаментарной оболочки на длинной дистанции разрушает волноводный эффект. Для борьбы с этой проблемой физики придумали формировать оболочку с помощью гладкой моды Лагерра-Гаусса LG₀₁ или, проще говоря, с помощью луча в форме бублика. Диаметр такого бублика, созданного с помощью фазовой пластинки, составил в их опыте несколько миллиметров.

Такой подход существенно увеличил длину распространения сигнального луча. И тут ученые столкнулись с тем, что размеров их лаборатории (восемь метров) недостаточно для дальнейшего исследования. После согласования с местным аналогом отдела охраны труда было принято решение проделать в стене лаборатории дыру и вывести излучение в коридор, увеличив, таким образом, суммарную длину оптического пути до 45 метров. Ради безопасности опыты проходили только в ночное время.

Экспериментальная работа включала в себя исследование того, как эффективность передачи излучения зависит от мощности инфракрасных лазеров, задержки между импульсами и расстояния. В результате для оптимальных параметров на 45 метрах физики достигли 20-процентной эффективности для передачи зеленого импульса с энергией в один миллиджоуль. В работе ученым помогала линейка из 64 микрофонов, которая по громкости хлопков помогала оценить вложенную в филаменты энергию, а также время жизни воздушного волновода, которое составило несколько долей секунды. По мнению авторов, предложенная ими технология может быть масштабирована на километровые расстояния.

В случае успеха воздушные волноводы позволял проводить точечное и при этом дистанционное спектроскопическое исследование для поиска загрязнений или радиоактивных материалов. Другое применение — защита от молний за счет создания плазменного канала. Про работоспособность этого подхода мы недавно рассказывали.