Лазерный хлопок помог бубликовому сигналу пройти через облако

Физики из политехнического института Ренсселера предложили использовать акустическую волну, создаваемую при прохождении лазерного филамента в облаке, чтобы повысить его прозрачность для сигнального луча. Чтобы эта идея сработала, они формировали профиль сигнального луча в виде бублика и наделяли его орбитальным моментом. Эксперимент с 40-сантиметровой камерой, заполненной водяной взвесью, показал, что таким образом можно повысить проходимость сигнала почти в два раза. Исследование опубликовано в Journal of Applied Physics.

Спутниковая связь существенно изменила коммуникационную парадигму человечества. Один спутник, вынесенный на достаточную высоту, способен заменить собой целую цепочку ретрансляторов. Для связи спутников с наземными станциями сегодня используется радиодиапазон, однако пропускная способность такого канала связи давно исчерпана. Вместо этого можно было бы использовать оптическое излучение, которое обладает существенно большими частотами и полосами пропускания. Такой подход, однако, упирается в то, что распространение света в атмосфере подвержено флуктуациям амплитуды и искажениям волнового фронта из-за облаков и атмосферной турбулентности.

Уже в прошлом веке физики предпринимали попытки использовать мощные лазеры, чтобы испарением «прорубать» в облаках путь для сигнального луча, но они не увенчались практическим применением из-за того, что интенсивность луча для этого должна быть порядка 10-1000 мегаватт на квадратный сантиметр. Совсем недавно мы рассказывали про другой подход, апробированный американскими учеными. В их опытах луч в форме бублика формировал в воздухе филаментную оболочку для воздушного волновода, по сердцевине которого распространялся сигнальный луч.

Почти в одно время с американскими учеными о своем исследовании рассказали их соотечественники из политехнического института Ренсселера под руководством Муссы Н’Гома (Moussa N’Gom). В их исследовании все было с точностью до наоборот: вслед за интенсивным филаментным лучом накачки следовал луч с полой сердцевиной. Эксперимент с искусственным туманом показал, что таким образом можно повысить соотношение сигнал/шум почти в два раза.

Филаментом в оптике называется ситуация, когда лазерный луч распространяется в среде в виде нити с толщиной меньше, чем дифракционный предел. Такое становится возможным благодаря самофокусировке луча из-за эффектов нелинейности, что наблюдается даже в воздухе. Когда мощность света выше некоторого порога распространение луча формирование филамента сопровождается ионизацией и нагревом среды. Предыдущая группа физиков использовала этот факт, чтобы создать в воздухе цилиндр из разреженного за счет расширения воздуха для создания волновода.

Группа Н’Гома же обратила внимание на то, что быстрое возникновение филамента вызывает мощную звуковую волну, очищающую от влаги область вокруг нити, радиус которой зависит от интенсивности и длины волны света и может достигать нескольких сантиметров. Идея авторов заключается в том, что в этот момент сигнал может проходить по ней, не рассеиваясь. Но для этого следует исключить пересечение полей филамента и сигнального луча, сформировав второй в виде моды Лаггера — Гаусса, несущей орбитальный момент.

Экспериментальная установка ученых состояла из титан-сапфирового фемтосекундного лазера с длиной волны 810 нанометров, создававшего луч накачки, который формировал полуметровый филамент, и диодного непрерывного лазера с длиной волны 635 нанометров, испускавшего сигнальный луч. Схема включала в себя также оптические элементы для подготовки и объединения лучей и доставки их в самодельную прозрачную камеру Вильсона с входным и выходным отверстиями, заполненную водяным туманом. Длина камеры составляла 40 сантиметров, а установка была настроена так, чтобы филамент выходил по обе ее стороны и воздействовал и на утекающий через отверстия туман. На выходе из камеры физики устанавливали детектирующие системы (цифровую камеру и фотоумножитель) с фильтрацией.

Авторы экспериментировали с различными режимами прохождения света, однако наиболее наглядный результат показал опыт с периодическим включением и выключением лазера накачки. Мощность входящего в фотоумножитель сигнала при этом менялась от фоновых 62 нановатт до 130 нановатт, что соответствует увеличению на 90 процентов. Физики также убедились, что информация об орбитальном моменте луча не теряется, что будет полезно для технологий передачи информации на основе закрученного света. В будущем они планируют масштабировать этот метод на расстояние в несколько километров, для чего потребуется использовать лазеры накачки в среднем ИК-диапазоне.

Одновременно с этим и предыдущим исследованием вышла еще одна работа посвященная передаче информации по воздуху с помощью света. Южноафриканские физики решили не менять свойства воздушного канала, а подстраиваться под них. Они придумали алгоритм, который подбирает конфигурации структурированного света, устойчивые к турбулентности. Эти конфигурации можно использовать в качестве алфавита для передачи информации.