Nije česta pojava na univerzitetu da se laserski impulsi dovoljno snažni da spale papir i kožu šalju niz hodnik. Ali to se dogodilo u UMD-ovom Energetskom istraživačkom centru, zgradi neupadljivog izgleda u severoistočnom delu kampusa. Ako sada posetite belo-sivu salu one će izgledati kao svaka druga univerzitetska sala – sve dok ne zavirite iza daske od plute i ne uočite metalnu ploču koja pokriva rupu u zidu.
Tokom nekoliko noći 2021., profesor fizike UMD-a Hauard Milčberg i njegove kolege transformisali su hodnik u laboratoriju: Sjajne površine vrata i fontane bile su prekrivene da bi se izbegle potencijalno zaslepljujuće refleksije; spojni hodnici su blokirani znakovima, trakama za oprez i specijalnim crnim zavesama koje apsorbuju laser; a naučna oprema i kablovi naseljeni normalno otvoreni prostor za šetnju.
Dok su članovi tima obavljali svoj posao, pucajući zvuk je upozorio na opasno moćnu putanju kojom je laser buknuo niz hodnik. Ponekad se putovanje grede završavalo na belom keramičkom bloku, ispunjavajući vazduh glasnijim treskom i metalnim prizvukom. Svake noći, istraživač je sedeo sam za kompjuterom u susednoj laboratoriji sa voki-tokijem i vršio tražena podešavanja lasera.
Njihovi napori su bili da privremeno transformišu razređeni vazduh u optički kabl — ili, tačnije, u vazdušni talasovod — koji bi vodio svetlost desetinama metara. Poput jednog od optičkih internet kablova koji obezbeđuju efikasne autoputeve za tokove optičkih podataka, vazdušni talasovod propisuje put svetlosti.
Ovi vazdušni talasovodi imaju mnogo potencijalnih primena u vezi sa prikupljanjem ili prenošenjem svetlosti, kao što je detekcija svetlosti koju emituje atmosfersko zagađenje, laserska komunikacija velikog dometa ili čak lasersko oružje. Sa vazdušnim talasovodom, nema potrebe da se odmotava čvrsti kabl i brine o ograničenjima gravitacije; umesto toga, kabl se brzo formira bez oslonca u vazduhu.
U radu prihvaćenom za objavljivanje u časopisu Phisical Reviev Ks, tim je opisao kako su postavili rekord vodeći svetlost u vazdušnim talasovodima dugim 45 metara i objasnio fiziku koja stoji iza njihove metode.
Istraživači su sproveli svoju atmosfersku alhemiju koja je postavila rekorde noću kako bi izbegli neprijatnosti (ili zavaravanje) kolegama ili nesuđenim studentima tokom radnog dana. Morali su da dobiju odobrenje za svoje bezbednosne procedure pre nego što su mogli da preurede hodnik.
„Bilo je to zaista jedinstveno iskustvo“, kaže Endru Gofin, diplomirani student elektrotehnike i računarstva UMD-a koji je radio na projektu i glavni je autor nastalog članka u časopisu. „Postoji mnogo posla koji se ulaže u snimanje lasera van laboratorije sa kojim ne morate da se bavite kada ste u laboratoriji — kao što je postavljanje zavesa radi bezbednosti očiju. Definitivno je bilo zamorno.“
Sav posao je bio da se vidi do koje dužine mogu da poguraju tehniku. Prethodno je Milchbergova laboratorija pokazala da je sličan metod funkcionisao na udaljenostima manjim od metra. Ali istraživači su naišli na prepreku u proširenju svojih eksperimenata na desetine metara: njihova laboratorija je premala i pomeranje lasera je nepraktično. Tako rupa u zidu i hodnik postaju laboratorijski prostor.
„Bilo je velikih izazova: ogromna skala do 50 metara naterala nas je da preispitamo osnovnu fiziku generisanja vazdušnih talasovoda, plus želja da pošaljemo laser velike snage niz javni hodnik dug 50 metara prirodno izaziva velike bezbednosne probleme, “, kaže Milchberg. „Srećom, dobili smo odličnu saradnju i sa fizikom i sa Kancelarijom za bezbednost životne sredine Merilenda.
Bez optičkih kablova ili talasovoda, svetlosni snop — bilo iz lasera ili baterijske lampe — će se neprekidno širiti dok putuje. Ako se dozvoli nekontrolisano širenje, intenzitet zraka može pasti na neupotrebljive nivoe. Bez obzira da li pokušavate da ponovo napravite naučnofantastični laserski blaster ili da otkrijete nivoe zagađivača u atmosferi tako što ćete ih pumpati punim energije laserom i uhvatiti oslobođenu svetlost, isplati se obezbediti efikasnu, koncentrisanu isporuku svetlosti.
Milchbergovo potencijalno rešenje za ovaj izazov zadržavanja svetlosti je dodatno svetlo — u obliku ultra-kratkih laserskih impulsa. Ovaj projekat je zasnovan na prethodnim radovima iz 2014. godine u kojima je njegova laboratorija pokazala da mogu da koriste takve laserske impulse za oblikovanje talasovoda u vazduhu.
Tehnika kratkog impulsa koristi sposobnost lasera da obezbedi tako visok intenzitet duž putanje, koja se zove filament, da stvara plazmu – fazu materije u kojoj su elektroni otrgnuti od svojih atoma. Ova energetska putanja zagreva vazduh, tako da se širi i ostavlja put vazduha niske gustine iza lasera. Ovaj proces liči na malu verziju osvetljenja i grmljavine gde energija munje pretvara vazduh u plazmu koja eksplozivno širi vazduh, stvarajući udar groma; zvuci pucketanja koje su istraživači čuli duž putanje zraka bili su sićušni rođaci groma.
Ali ove staze filamenta male gustine same po sebi nisu bile ono što je timu bilo potrebno za vođenje lasera. Istraživači su želeli jezgro visoke gustine (isto kao i internet kablovi sa optičkim vlaknima). Dakle, stvorili su raspored višestrukih tunela niske gustine koji se prirodno difunduju i spajaju u jarak koji okružuje gušće jezgro neometanog vazduha.
Eksperimenti iz 2014. koristili su set od samo četiri laserska filamenta, ali je novi eksperiment iskoristio prednost novog laserskog podešavanja koji automatski povećava broj filamenata u zavisnosti od laserske energije; filamenti se prirodno raspoređuju oko prstena.
Istraživači su pokazali da tehnika može da produži dužinu vazdušnog talasovoda, povećavajući snagu koju mogu da isporuče meti na kraju hodnika. Na kraju laserskog putovanja, talasovod je zadržao oko 20% svetlosti koja bi inače bila izgubljena iz ciljne oblasti. Udaljenost je bila oko 60 puta veća od njihovog rekorda iz prethodnih eksperimenata. Proračuni tima sugerišu da još uvek nisu blizu teorijske granice tehnike, i kažu da bi mnogo veće efikasnosti vođenja trebalo lako postići pomoću metode u budućnosti.
„Da smo imali duži hodnik, naši rezultati pokazuju da smo mogli da prilagodimo laser za duži talasovod“, kaže Endrju Tartaro, diplomirani student fizike UMD-a koji je radio na projektu i autor je rada. „Ali imamo vodiča tačno za hodnik koji imamo.“
Istraživači su takođe radili kraće testove od osam metara u laboratoriji gde su detaljnije istraživali fiziku koja se odvija u procesu. Za kraći test uspeli su da isporuče oko 60% potencijalno izgubljene svetlosti svojoj meti.
Pukajući zvuk formiranja plazme stavljen je u praktičnu upotrebu u njihovim testovima. Osim što je ukazivao na to gde se nalazio snop, takođe je pružio istraživačima podatke. Koristili su liniju od 64 mikrofona za merenje dužine talasovoda i jačine talasovoda duž njegove dužine (više energije uloženo u stvaranje talasovoda znači glasniji udarac).
Tim je otkrio da je talasovod trajao samo stoti deo sekunde pre nego što se ponovo raspršio u vazduh. Ali to su eoni za laserske udare koje su istraživači slali kroz njega: svetlost može preći više od 3.000 km za to vreme.
Na osnovu onoga što su istraživači naučili iz svojih eksperimenata i simulacija, tim planira eksperimente za dalje poboljšanje dužine i efikasnosti njihovih vazdušnih talasovoda. Oni takođe planiraju da vode različite boje svetlosti i da istraže da li brža stopa ponavljanja impulsa filamenta može da proizvede talasovod za kanalisanje kontinuiranog snopa velike snage.
„Dostizanje skale od 50 metara za vazdušne talasovode bukvalno otvara put za još duže talasovode i mnoge primene“, kaže Milchberg. „Na osnovu novih lasera koje ćemo uskoro dobiti, imamo recept da proširimo naše vodiče na jedan kilometar i dalje.“
