„Gefährlich leistungsstarkes“ Laserexperiment stellt Rekord im Flur der Universität auf

Von University of Maryland, 13. Februar 2023

In einem Experiment wird ein Laser durch einen UMD-Flur geschickt, um das Licht auf einer 45 Meter langen Reise einzufangen. Bildnachweis: Intense Laser-Matter Interactions Lab, UMD

Nicht an jeder Universität werden Laserimpulse, die stark genug sind, um Papier und Haut zu verbrennen, flammend durch einen Flur geschickt. Aber genau das geschah in der Energy Research Facility der UMD, einem unscheinbaren Gebäude an der nordöstlichen Ecke des Campus. Wenn Sie jetzt den zweckmäßigen, weiß-grauen Saal besuchen, kommt es Ihnen wie jeder andere Universitätssaal vor – solange Sie nicht hinter eine Korktafel blicken und die Metallplatte entdecken, die ein Loch in der Wand verdeckt.

Doch für ein paar Nächte im Jahr 2021 verwandelten UMD-Physikprofessor Howard Milchberg und seine Kollegen den Flur in ein Labor: Die glänzenden Oberflächen der Türen und eines Wasserbrunnens wurden abgedeckt, um potenziell blendende Reflexionen zu vermeiden; Verbindungsflure waren mit Schildern, Absperrband und speziellen laserabsorbierenden schwarzen Vorhängen abgesperrt; und wissenschaftliche Geräte und Kabel bewohnten normalerweise offene Gehflächen.

Während die Mitglieder des Teams ihrer Arbeit nachgingen, warnte ein knackendes Geräusch vor der gefährlichen, kraftvollen Bahn, die der Laser durch den Flur schlug. Manchmal endete die Reise des Strahls an einem weißen Keramikblock und erfüllte die Luft mit lauterem Knallen und einem metallischen Geruch. Jede Nacht saß ein Forscher allein mit einem Walkie-Talkie an einem Computer im angrenzenden Labor und nahm die gewünschten Anpassungen am Laser vor.

Von links nach rechts: Eric Rosenthal, Physiker am US Naval Research Laboratory; Anthony Valenzuela, Physiker am US Army Research Lab; und Andrew Goffin, ein Student der Elektro- und Computertechnik an der UMD, richten die Optik auf ein Bullauge in der Wand aus, um den Laserstrahl aus dem Labor den Flur entlang zu schicken. Bildnachweis: Intense Laser-Matter Interactions Lab, UMD

Ihre Bemühungen bestanden darin, dünne Luft vorübergehend in ein Glasfaserkabel – oder genauer gesagt einen Luftwellenleiter – umzuwandeln, der das Licht mehrere Dutzend Meter weit leiten sollte. Wie eines der Glasfaser-Internetkabel, die effiziente Autobahnen für optische Datenströme bereitstellen, gibt ein Luftwellenleiter dem Licht einen Weg vor. Diese Luftwellenleiter haben viele potenzielle Anwendungen im Zusammenhang mit dem Sammeln oder Übertragen von Licht, z. B. der Erkennung von Licht, das durch Luftverschmutzung, Laserkommunikation über große Entfernungen oder sogar Laserwaffen emittiert wird. Mit einem Luftwellenleiter besteht keine Notwendigkeit, feste Kabel abzuwickeln und sich nicht um die Einschränkungen der Schwerkraft zu kümmern; Stattdessen formt sich das Kabel schnell frei in der Luft. In einem zur Veröffentlichung in der Fachzeitschrift Physical Review

Die Forscher führten ihre rekordverdächtige atmosphärische Alchemie nachts durch, um Kollegen oder ahnungslose Schüler während des Arbeitstages nicht zu belästigen (oder zu belästigen). Sie mussten ihre Sicherheitsmaßnahmen genehmigen lassen, bevor sie den Flur umnutzen konnten.

„Es war eine wirklich einzigartige Erfahrung“, sagt Andrew Goffin, ein Doktorand der Elektro- und Computertechnik der UMD, der an dem Projekt mitgearbeitet hat und Hauptautor des daraus resultierenden Zeitschriftenartikels ist. „Das Schießen mit Lasern außerhalb des Labors erfordert eine Menge Arbeit, mit der man sich im Labor nicht befassen muss – zum Beispiel das Anbringen von Vorhängen zum Schutz der Augen. Es war definitiv anstrengend.“

Verteilungen des nach der Flurfahrt gesammelten Laserlichts ohne Wellenleiter (links) und mit Wellenleiter (rechts). Bildnachweis: Intense Laser-Matter Interactions Lab, UMD

Die ganze Arbeit bestand darin, herauszufinden, wie weit sie die Technik vorantreiben konnten. Zuvor hatte Milchbergs Labor gezeigt, dass eine ähnliche Methode für Entfernungen von weniger als einem Meter funktionierte. Bei der Ausweitung ihrer Experimente auf mehrere Dutzend Meter stoßen die Forscher jedoch auf ein Hindernis: Ihr Labor ist zu klein und das Bewegen des Lasers ist unpraktisch. So wird ein Loch in der Wand und ein Flur zum Laborraum.

„Es gab große Herausforderungen: Die enorme Vergrößerung auf 50 Meter zwang uns, die grundlegende Physik der Luftwellenleitererzeugung zu überdenken, und der Wunsch, einen Hochleistungslaser durch einen 50 Meter langen öffentlichen Flur zu schicken, wirft natürlich große Sicherheitsprobleme auf.“ "Sagt Milchberg. „Glücklicherweise haben wir sowohl von der Physik als auch vom Maryland Environmental Safety Office eine hervorragende Zusammenarbeit erhalten!“

Ohne Glasfaserkabel oder Wellenleiter dehnt sich ein Lichtstrahl – sei es von einem Laser oder einer Taschenlampe – auf seinem Weg kontinuierlich aus. Wenn sich ein Strahl unkontrolliert ausbreitet, kann die Intensität auf unbrauchbare Werte sinken. Ganz gleich, ob Sie versuchen, einen Science-Fiction-Laserstrahler nachzubilden oder den Schadstoffgehalt in der Atmosphäre zu ermitteln, indem Sie ihn mit einem Laser mit Energie füllen und das freigesetzte Licht einfangen: Es lohnt sich, für eine effiziente und konzentrierte Abgabe des Lichts zu sorgen.

Milchbergs mögliche Lösung für diese Herausforderung, das Licht einzudämmen, ist zusätzliches Licht – in Form von ultrakurzen Laserpulsen. Dieses Projekt baute auf früheren Arbeiten aus dem Jahr 2014 auf, in denen sein Labor demonstrierte, dass sie solche Laserimpulse verwenden könnten, um Wellenleiter in der Luft zu formen.

The short pulse technique utilizes the ability of a laser to provide such a high intensity along a path, called a filament, that it creates a plasmaPlasma is one of the four fundamental states of matter, along with solid, liquid, and gas. It is an ionized gas consisting of positive ions and free electrons. It was first described by chemist Irving Langmuir in the 1920s." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Plasma – eine Phase der Materie, in der Elektronen aus ihren Atomen herausgerissen wurden. Dieser Energiepfad erwärmt die Luft, sodass sie sich ausdehnt und einen Pfad aus Luft geringer Dichte im Sog des Lasers hinterlässt. Dieser Prozess ähnelt einer winzigen Version von Blitz und Donner, bei der die Energie des Blitzes die Luft in ein Plasma verwandelt, das die Luft explosionsartig ausdehnt und so den Donnerschlag erzeugt. Die knallenden Geräusche, die die Forscher entlang des Strahlengangs hörten, waren die winzigen Verwandten des Donners.

Aber diese Filamentpfade mit geringer Dichte allein waren nicht das, was das Team zur Führung eines Lasers brauchte. Die Forscher wollten einen Kern mit hoher Dichte (wie bei Internet-Glasfaserkabeln). Deshalb schufen sie eine Anordnung aus mehreren Tunneln geringer Dichte, die auf natürliche Weise diffundieren und in einen Wassergraben übergehen, der einen dichteren Kern ungestörter Luft umgibt.

Bei den Experimenten von 2014 wurde eine festgelegte Anordnung von nur vier Laserfilamenten verwendet, aber das neue Experiment nutzte einen neuartigen Laseraufbau, der die Anzahl der Filamente abhängig von der Laserenergie automatisch erhöht; Die Filamente verteilen sich auf natürliche Weise um einen Ring.

Die Forscher zeigten, dass die Technik die Länge des Luftwellenleiters verlängern und so die Leistung erhöhen könnte, die er an ein Ziel am Ende des Flurs liefern kann. Am Ende der Laserreise hatte der Wellenleiter etwa 20 % des Lichts zurückgehalten, das andernfalls aus seinem Zielbereich verloren gegangen wäre. Die Entfernung war etwa 60-mal größer als ihr Rekord aus früheren Experimenten. Die Berechnungen des Teams deuten darauf hin, dass sie sich noch nicht an der theoretischen Grenze der Technik befinden, und sagen, dass mit der Methode in Zukunft deutlich höhere Führungswirkungsgrade problemlos erreichbar sein dürften.

„Wenn wir einen längeren Flur hätten, zeigen unsere Ergebnisse, dass wir den Laser für einen längeren Wellenleiter hätten anpassen können“, sagt Andrew Tartaro, ein Physikstudent der UMD, der an dem Projekt mitgearbeitet hat und Autor der Arbeit ist. „Aber wir haben unseren Leitfaden für den Flur, den wir haben, richtig gemacht.“

Die Forscher führten im Labor auch kürzere Acht-Meter-Tests durch, bei denen sie die dabei ablaufenden physikalischen Prozesse genauer untersuchten. Beim kürzeren Test gelang es ihnen, etwa 60 % des potenziell verlorenen Lichts an ihr Ziel zu liefern.

Das Knallgeräusch der Plasmabildung wurde in ihren Versuchen praktisch genutzt. Es war nicht nur ein Hinweis darauf, wo sich der Strahl befand, sondern lieferte den Forschern auch Daten. Sie verwendeten eine Reihe von 64 Mikrofonen, um die Länge des Wellenleiters zu messen und wie stark der Wellenleiter entlang seiner Länge war (mehr Energie, die in die Herstellung des Wellenleiters fließt, führt zu einem lauteren Knall).

Das Team stellte fest, dass der Wellenleiter nur Hundertstelsekunden durchhielt, bevor er sich wieder in Luft auflöste. Aber das sind Äonen für die Laserblitze, die die Forscher hindurchschickten: Licht kann in dieser Zeit mehr als 3.000 km zurücklegen.

Basierend auf den Erkenntnissen der Forscher aus ihren Experimenten und Simulationen plant das Team Experimente, um die Länge und Effizienz ihrer Luftwellenleiter weiter zu verbessern. Sie planen außerdem, verschiedene Lichtfarben zu leiten und zu untersuchen, ob eine schnellere Wiederholungsrate der Filamentimpulse einen Wellenleiter erzeugen kann, um einen kontinuierlichen Hochleistungsstrahl zu kanalisieren.

„Das Erreichen der 50-Meter-Skala für Luftwellenleiter ebnet buchstäblich den Weg für noch längere Wellenleiter und viele Anwendungen“, sagt Milchberg. „Basierend auf neuen Lasern, die wir bald bekommen werden, haben wir das Rezept, unsere Guides auf einen Kilometer und mehr auszudehnen.“

Referenz: „Optical Guiding in 50-Meter-Scale Air Waveguides“ von A. Goffin, I. Larkin, A. Tartaro, A. Schweinsberg, A. Valenzuela, E. W. Rosenthal und H. M. Milchberg, 23. Januar 2023, Physical Review X.DOI : 10.1103/PhysRevX.13.011006