حقق الفيزيائيون رقمًا قياسيًا جديدًا من خلال محاصرة نبضة ليزر ذاتية التركيز في قفص هوائي ، على طول ممر جامعي يبلغ طوله 45 مترًا (148 قدمًا).
التجربة الجديدة ، بقيادة عالم الفيزياء بجامعة ماريلاند (UMD) هوارد ميلتشبيرج ، فتحت أرضية جديدة لتوجيه الضوء إلى قنوات تسمى موجهات الرياح ، وكانت النتائج السابقة أقل من متر.
تم قبول مقال يصف البحث في المجلة الفحص البدني X ، أوفي هذه الأثناء يمكن معرفة ذلك arXiv على خادم ما قبل الطباعة . يمكن أن تلهم النتائج طرقًا جديدة لتحقيق اتصالات طويلة المدى تعتمد على الليزر أو تقنية أسلحة متطورة تعتمد على الليزر.
“تظهر نتائجنا أنه إذا كان لدينا ممر طويل ، فيمكننا ضبط الليزر على دليل موجي أطول.” يقول أندرو تارتارو ، الفيزيائي UMT.
“لكن لدينا دليلنا إلى الرواق الذي لدينا.”
الليزر مفيد لمجموعة متنوعة من التطبيقات ، ولكن يجب أن يكون حزمًا متماسكة من الضوء المنظم بدقة. متصل ومركّز بطريقة ما. إذا تُرك الليزر لأجهزته الخاصة ، فسوف يتبدد ويفقد الطاقة والكفاءة.
إحدى تقنيات التركيز هذه هي الدليل الموجيوهذا بالضبط ما يبدو عليه الأمر: إنه يوجه الموجات الكهرومغناطيسية على طول مسار معين ، ويمنعها من التشتت.
الألياف البصرية مثال يتكون من أنبوب زجاجي يتم من خلاله توجيه الموجات الكهرومغناطيسية. نظرًا لأن الكسوة المحيطة بالجزء الخارجي من الأنبوب لها معامل انكسار أقل من مركز الأنبوب ، فإن الضوء الذي يحاول التشتت ينحني مرة أخرى في الأنبوب ، مما يحافظ على الشعاع بطوله.
في عام 2014 ، أظهر Milchberg وزملاؤه بنجاح ما يسمونه توجيه موجة الرياح. بدلاً من استخدام بنية فيزيائية مثل الأنبوب ، استخدموا نبضات الليزر لمزاوجة ضوء الليزر. ينتج الليزر النبضي بلازما تسخن الهواء في أعقابه ، تاركًا أثرًا من الهواء منخفض الكثافة. مثل هذا برق والرعد في صورة مصغرة: يؤدي تمدد الهواء منخفض الكثافة إلى إصدار صوت صغير يشبه الرعد يتبع الليزر ، مما ينتج عنه ما يسمى بالخيوط.
يحتوي الهواء منخفض الكثافة على معامل انكسار أقل من الهواء المحيط به – مثل الكسوة حول أنبوب الألياف الضوئية. لذا فإن إطلاق هذه الألياف في تكوين محدد يخلق بشكل فعال موجه موجي من الهواء “يحبس” شعاع ليزر في قلبها.
الاختبارات الأولية وصف عام 2014 تم إنشاء دليل موجي للرياح يبلغ طوله حوالي 70 سم (2.3 قدم) باستخدام أربعة ألياف. لزيادة التجربة ، احتاجوا إلى مزيد من الخيوط – ونفق أطول بكثير لإضاءة أضواءهم دون تحريك معداتهم الثقيلة. لذلك ، تم تحويل ممر طويل في مرفق أبحاث الطاقة التابع لـ UMD للسماح بالانتشار الآمن لأشعة الضوء من خلال ثقب في جدار المختبر.
تم إغلاق نقاط دخول الممرات ، وتغطية الأسطح اللامعة ، واستخدام ستائر ماصة لليزر.
“لقد كانت تجربة فريدة من نوعها،” يقول المهندس الكهربائي أندرو كوفين UMDالمؤلف الأول على ورقة المجموعة.
“هناك الكثير من العمل خارج الليزر لتصوير أشعة الليزر التي لا يتعين عليك التعامل معها عندما تكون في المختبر – مثل وضع ستائر لحماية العين. لقد كان الأمر متعبًا بالتأكيد.”
أخيرًا ، تمكن الفريق من إنشاء دليل موجي قادر على السفر عبر ممر يبلغ ارتفاعه 45 مترًا – مع ضوضاء متناثرة وفرقعة وصواعق صغيرة ناتجة عن خيوط الليزر “البرق”. في نهاية الدليل الموجي للهواء ، يحتفظ نبضة الليزر في المركز بحوالي 20 بالمائة من الضوء الذي كان من الممكن أن يُفقد بدون الدليل الموجي.
بالعودة إلى المختبر ، قام الفريق أيضًا بفحص دليل موجي قصير بطول 8 أمتار لأخذ قياسات العمليات التي تحدث في الردهة ، حيث لم تكن هناك معدات للقيام بذلك. كانت هذه الاختبارات القصيرة قادرة على الاحتفاظ بحوالي 60 في المائة من الضوء الذي كان سيضيع لولا ذلك. كانت الصواعق الصغيرة فعالة أيضًا: فكلما كان الدليل الموجي أكثر نشاطًا ، كان صوت البوب أعلى.
كشفت تجاربهم أن الدليل الموجي سريع جدًا ، ولا يدوم سوى جزء من مائة من الثانية. هذا وقت كافٍ للتنقل في شيء يسافر بسرعة الضوء.
تشير الأبحاث إلى أين يمكن إجراء التحسينات ؛ على سبيل المثال ، سيؤدي زيادة الاتجاه والطول إلى تقليل فقد الضوء. أراد الفريق تجربة ألوان مختلفة من ضوء الليزر ومعدلات نبض أسرع لمعرفة ما إذا كان بإمكانهم توجيه شعاع ليزر مستمر.
“إن تحقيق مقياس 50 مترًا لموجهات الرياح يمهد الطريق لموجهات موجات أطول والعديد من التطبيقات الأخرى.” يقول Milchberg.
“استنادًا إلى أجهزة الليزر الجديدة التي سنحصل عليها قريبًا ، لدينا وصفة لتوسيع أدلةنا إلى كيلومتر واحد وما بعده.”
تم قبول البحث الفحص البدني Xومتاح arXiv.
