Physik

Herkömmliche optische Wellenleiter wie optische Fasern und planare Wellenleiter bestehen aus einem Kern, der von einem Mantel mit niedrigerem Brechungsindex umgeben ist. Durch Totalreflexion an der Kern-Mantel-Grenze wird das Licht effizient im Kern eingeschlossen. Optische Fasern können Licht über Hunderte von Kilometern transportieren, aber es gibt Anwendungen – wie Hochleistungsübertragung und Atmosphärenüberwachung –, bei denen der Einsatz von Fasern unpraktisch ist. Das Senden von Licht direkt durch die Luft ist keine Option, da Beugungseffekte dazu führen, dass sich der Strahl aufweitet. Eine mögliche Lösung besteht darin, mit Laserimpulsen Wellenleiter in der Luft zu „formen“, die eine Hülle geringer Dichte um einen zentralen Kern aus ungestörter Luft erzeugen. Mit einer neuen Methode mit Donut-förmigen Strahlen haben Andrew Goffin von der University of Maryland, College Park, und Kollegen einen 45 m langen Wellenleiter in der Luft geschaffen [1], der 60-mal weiter reicht als der zuvor aufgestellte Rekord Luftwellenleiter. Die Errungenschaft ermöglicht möglicherweise die Lieferung von Hochleistungslaserimpulsen an entfernte Ziele und eröffnet damit eine Reihe von Anwendungen wie Fernerkundung, Blitzkontrolle (siehe Forschungsnachrichten: Ein laserbasierter „Blitzableiter“) und Mikrowellenlenkung.

Das Prinzip eines Luftwellenleiters besteht darin, einen Femtosekunden-Laserimpuls abzufeuern, der einen kurzlebigen Kanal in der Luft öffnet, durch den ein nachfolgender „Sonden“-Impuls passieren kann [2]. Der erste Puls erzeugt den notwendigen Brechungsindexkontrast zwischen Kern und Mantel durch Erhitzen der Luftbestandteile (wie N2, O2 und Edelgase). Die erwärmte Luft dehnt sich so aus, dass die Dichte der Hülle geringer wird als die der Umgebungsluft. Der resultierende Luftwellenleiter kann einige Millisekunden halten – genug Zeit, um das Sondensignal durch ihn zu senden.

Aber man könnte sich fragen, warum sich der erste Laserpuls vor der Sonde ausbreiten kann, ohne sich auszubreiten? Die Antwort liegt in einem nichtlinearen Prozess namens Filamentierung, der aus dem Gleichgewicht zweier konkurrierender Effekte in der Luft resultiert: einem selbstfokussierenden Effekt, der durch die sogenannte Kerr-Nichtlinearität induziert wird, und einem defokussierenden Effekt, der durch die Bildung eines durch den Puls erzeugten Plasmas induziert wird selbst [3]. Durch die Filamentierung kann ein Laserfeld über eine Distanz eng begrenzt gehalten werden, die viel größer ist als die, die durch Beugung unter linearen Ausbreitungsbedingungen möglich ist. Allerdings kann ein Laserfilament eine Breite von nicht mehr als ∼200 𝜇m und eine Spitzenintensität von nicht mehr als ∼1014 W/cm2 haben, was letztendlich die durchschnittliche Leistung im Filamentkern begrenzt. Aus diesem Grund sind die durch Femtosekundenlaserpulse erzeugten Filamente allein kein wirksames Mittel zur Bereitstellung hoher Leistung. Wenn die Filamente jedoch zur Erzeugung eines Luftwellenleiters verwendet werden, können sie einen Weg für Hochleistungslichtstrahlen schaffen.

Goffin und Kollegen demonstrierten erstmals 2014 das Prinzip der Luftwellenleitung. In diesem früheren Experiment ließ das Team einen roten Laserstrahl durch eine Vier-Segment-Maske laufen, um vier Laserfilamente in einem quadratischen Muster zu erzeugen. Diese Filamente bildeten einen „Lichtzaun“, der das Licht in seinem Kern einschränkte. Die Forscher verwendeten diesen Luftwellenleiter, um einen 110-mJ-Impuls grünen Lichts über eine Länge von etwa 70 cm in Luft zu übertragen (siehe Standpunkt: Ein Wellenleiter aus heißer Luft).

Dem Team ist nun eine beeindruckende Erweiterung dieser früheren Arbeit gelungen. Die relativ kurze Länge des ersten Luftwellenleiters der Gruppe war auf die begrenzte Anzahl von Filamenten im Lichtzaun zurückzuführen, die die Breite des Wellenleiters und die Stärke des Dichtekontrasts zwischen Kern und Mantel einschränkte. Um die Anzahl der Filamente zu erhöhen, könnte man sich naiverweise vorstellen, eine Maske mit mehr Segmenten zu verwenden, um eine größere Anzahl von Filamenten zu erzeugen. In der Praxis ist es jedoch schwierig sicherzustellen, dass die Segmente Strahlkeulen mit gleicher Energie und lokal glatten Phasenfronten erzeugen. Als Alternative verwenden die Autoren einen Donut-förmigen Strahl oder, technisch gesehen, einen glatten Laguerre-Gaußschen LG01-Modus. Diesen Modus erzeugen sie mithilfe einer spiralförmigen Phasenplatte, die das Laserlicht zu einem Ring mit einem Durchmesser von wenigen Millimetern bündelt (Abb. 1). Das konzentrierte Licht initiiert eine zufällige Filamentierung in einer gleichmäßigen Verteilung um den Donut-Ring. Die Verwendung eines größeren Strahls erzeugt automatisch mehr Filamente – vorausgesetzt, dass die lokale Laserfluenz konstant bleibt – was bedeutet, dass die resultierende Umhüllung den gesamten Wellenleiterumfang abdeckt.

In einem Flur neben ihrem Labor demonstrierten die Autoren Luftwellenleitung über eine Distanz von 45 m. Ihr Wellenleitergenerator war ein 300-fs-Laserimpuls mit einer Wellenlänge von 800 nm und einer Gesamtenergie von 120 mJ. Dieser Impuls wurde mit dem LG01-Donut-Modus eingeprägt, wodurch er etwa 30 Filamente um einen Ring mit einem Durchmesser von 5,6 mm bildete. Durch den resultierenden Wellenleiter sendeten die Forscher einen 7 ns langen Sondenimpuls mit einer Wellenlänge von 532 nm und einer Gesamtenergie von 1 mJ. Ein Detektor zeichnete die Menge des durchgelassenen Lichts in verschiedenen Entfernungen auf und zeigte, dass das abgegebene Licht mit dem Wellenleiter etwa 20 % größer war als ohne (Abb. 2). Die Forscher zeigten auch, dass der Luftwellenleiter eine lange Lebensdauer von mehreren zehn Millisekunden hatte.

Dieses Wellenleitungsschema weist jedoch einige Nachteile auf, darunter einen relativ hohen Ausbreitungsverlust, ein schlechtes Modenprofil des geführten Strahls und einen hohen Energieverbrauch bei der Bildung des Luftwellenleiters. Um die Leistung des Systems zu verbessern, müssen Forscher ausgefeiltere Lichtskulpturentechniken entwickeln. Wenn der anfängliche Donut-Strahl gleichmäßiger gestaltet werden kann, sollten sich die mehreren Filamente deterministischer bilden, und dies sollte zu stabileren und reproduzierbareren Luftwellenleitern führen.

Für die Zukunft stellen sich die Autoren Luftwellenleiter vor, die leistungsstarkes Licht über Entfernungen von einem Kilometer oder mehr liefern können. Sie schätzen, dass für eine Übertragung im Kilometermaßstab ein hochenergetischer (bis zu 2 J) LG01-Impuls erforderlich ist, der eine Ringabdeckung von ca. 40–80 Filamenten unterstützt. Eine solche Luftwellenleitung öffnet die Tür zu vielen praktischen Anwendungen, die eine effiziente Laserenergielieferung an entfernte Orte in der Atmosphäre erfordern. Ein Beispiel ist die Erkennung gasförmiger Schadstoffe durch Anregung mit UV-Licht, das von einem Luftwellenleiter durch die Atmosphäre geleitet wird [4, 5]. Das emittierte Licht der angeregten Schadstoffe könnte dann spektroskopisch analysiert werden. Ein ähnliches Schema könnte radioaktive Materialien aus der Ferne erkennen [6]. Eine weitere mögliche Anwendung – die kürzlich demonstriert wurde – ist der Blitzschutz durch die Erzeugung eines Plasmakanals, der Blitze zum Boden leiten könnte.

Ya Cheng erhielt 1993 seinen BS-Abschluss von der Fudan-Universität und 1998 seinen PhD-Abschluss vom Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics. Derzeit ist er Direktor des State Key Laboratory of Precision Spectroscopy an der East China Normal University. Sein Forschungsschwerpunkt liegt auf ultraschneller nichtlinearer Optik und photonischer Integration auf Basis von Dünnschicht-Lithiumniobat. Er ist Optica Fellow und Fellow des Institute of Physics, Großbritannien.

A. Goffin, I. Larkin, A. Tartaro, A. Schweinsberg, A. Valenzuela, E. W. Rosenthal und H. M. Milchberg

Physik. Rev. X 13, 011006 (2023)

Veröffentlicht am 23. Januar 2023

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