Das Experiment demonstriert den kontinuierlichen Betrieb einer optischen Faser aus dünner Luft

3. Mai 2023

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von der University of Maryland

Forscher der University of Maryland (UMD) haben eine kontinuierlich arbeitende optische Faser aus dünner Luft demonstriert.

Die gebräuchlichsten optischen Fasern sind Glasstränge, die das Licht über große Entfernungen eng eingrenzen. Aufgrund von Glasschäden und Streuung der Laserenergie aus der Faser eignen sich diese Fasern jedoch nicht für die Führung extrem leistungsstarker Laserstrahlen. Darüber hinaus bedeutet die Notwendigkeit einer physischen Stützstruktur, dass Glasfasern lange vor der Übertragung oder Sammlung von Lichtsignalen verlegt werden müssen.

Howard Milchberg und seine Gruppe in den Fakultäten für Physik und Elektrotechnik und Computertechnik sowie am Institut für Forschung in Elektronik und angewandter Physik der UMD haben eine optische Führungsmethode demonstriert, die beide Einschränkungen überwindet, indem sie ultrakurze Hilfslaserimpulse verwenden, um faseroptische Wellenleiter in der Luft selbst zu formen.

Diese kurzen Impulse bilden einen Ring hochintensiver Lichtstrukturen, sogenannte „Filamente“, die die Luftmoleküle erhitzen, um einen ausgedehnten Ring erhitzter Luft geringer Dichte zu bilden, der einen zentralen, ungestörten Bereich umgibt; Dies ist genau die Brechungsindexstruktur einer optischen Faser. Mit Luft selbst als Faser können potenziell sehr hohe Durchschnittsleistungen geführt werden. Und zum Sammeln entfernter optischer Signale zum Beispiel zur Erkennung von Schadstoffen und radioaktiven Quellen kann der Luftwellenleiter beliebig „abgespult“ und mit Lichtgeschwindigkeit in jede Richtung gelenkt werden.

In einem im Januar in Physical Review

Diese Wellenleiter werden mit nur einem Watt durchschnittlicher Laserleistung erzeugt und könnten theoretisch Laserstrahlen mit Megawatt-Durchschnittsleistung leiten, was sie zu außergewöhnlichen Kandidaten für gerichtete Energie macht. Die Wellenleitermethode ist problemlos auf 1 Kilometer und länger skalierbar. Allerdings feuerte der wellenleitererzeugende Laser in dieser Arbeit alle 100 Millisekunden einen Impuls ab (Wiederholungsrate von 10 Hz), wobei die Abkühlung über 30 Millisekunden dauerte, sodass zwischen den Schüssen 70 Millisekunden blieben, ohne dass ein Luftwellenleiter vorhanden war. Dies ist ein Hindernis für die Führung eines Dauerstrichlasers oder das Sammeln eines kontinuierlichen optischen Signals.

In einem neuen Memorandum in Optica zeigen Andrew Goffin, Andrew Tartaro und Milchberg, dass durch die Erhöhung der Wiederholungsrate des Wellenleiter-erzeugenden Impulses auf bis zu 1000 Hz (ein Impuls jede Millisekunde) der Luftwellenleiter durch Erhitzen und Vertiefen kontinuierlich aufrechterhalten wird Wellenleiter schneller, als die umgebende Luft ihn abkühlen kann. Das Ergebnis ist ein kontinuierlich arbeitender Luftwellenleiter, der einen eingespeisten Dauerstrich-Laserstrahl leiten kann. Da der Wellenleiter durch wiederholte Erzeugung vertieft wird, verbessert sich die Effizienz des geführten Lichteinschlusses bei der höchsten Wiederholungsrate um den Faktor drei.

Die optische kontinuierliche Wellenführung verbessert den Nutzen von Luftwellenleitern erheblich: Sie erhöht die maximale durchschnittliche Laserleistung, die transportiert werden kann, und erhält die Führungsstruktur für die kontinuierliche Sammlung entfernter optischer Signale aufrecht. Und da Wellenleiter im Kilometermaßstab und längere Wellenleiter breiter sind, ist die Abkühlung langsamer und eine Wiederholungsrate deutlich unter 1 kHz ist erforderlich, um den Leiter aufrechtzuerhalten. Durch diese mildere Anforderung ist eine kontinuierliche Luftwellenführung über Entfernungen von mehreren Kilometern und länger mit vorhandener Lasertechnologie und bescheidenen Leistungsniveaus leicht zu erreichen.

„Mit einem geeigneten Lasersystem zur Erzeugung des Wellenleiters sollte eine kontinuierliche Führung über große Entfernungen problemlos möglich sein“, sagte Goffin. „Sobald wir das haben, ist es nur noch eine Frage der Zeit, bis wir leistungsstarke kontinuierliche Laserstrahlen aussenden und Schadstoffe aus meilenweiter Entfernung erkennen können.“

Mehr Informationen: A. Goffin et al., Quasi-stationärer Luftwellenleiter, Optica (2023). DOI: 10.1364/OPTICA.487292

Zeitschrifteninformationen:Körperliche Überprüfung X, Optica

Zur Verfügung gestellt von der University of Maryland