Experimento com laser de quase 50 metros bate recorde em corredor

Mas por algumas noites em 2021, o professor de física da UMD Howard Milchberg e seus colegas transformaram o corredor em um laboratório: as superfícies brilhantes das portas e uma fonte de água foram cobertas para evitar reflexos potencialmente ofuscantes; os corredores de conexão foram bloqueados com placas, fita adesiva e cortinas pretas especiais que absorvem o laser; e equipamentos e cabos científicos habitavam normalmente um espaço aberto para caminhadas.

Enquanto os membros da equipe trabalhavam, um som de estalo alertou sobre o caminho perigosamente poderoso que o laser abriu no corredor. Às vezes, a jornada do feixe terminava em um bloco de cerâmica branca, enchendo o ar com estalos mais altos e um cheiro metálico. Todas as noites, um pesquisador sentava-se sozinho em um computador no laboratório adjacente com um walkie-talkie e realizava os ajustes solicitados no laser.

Seus esforços foram para transfigurar temporariamente o ar rarefeito em um cabo de fibra ótica – ou, mais especificamente, um guia de ondas de ar – que guiaria a luz por dezenas de metros. Como um dos cabos de internet de fibra ótica que fornecem estradas eficientes para fluxos de dados óticos, um guia de ondas aéreas prescreve um caminho para a luz. Esses guias de ondas aéreas têm muitas aplicações potenciais relacionadas à coleta ou transmissão de luz, como a detecção de luz emitida pela poluição atmosférica, comunicação a laser de longo alcance ou até mesmo armamento a laser. Com um guia de ondas aéreas, não há necessidade de desenrolar o cabo sólido e se preocupar com as restrições da gravidade; em vez disso, o cabo se forma rapidamente sem suporte no ar. Em artigo aceito para publicação na revista Revisão Física X a equipe descreveu como estabeleceu um recorde guiando a luz em guias de ondas aéreas de 45 metros de comprimento e explicou a física por trás de seu método.

Os pesquisadores conduziram sua alquimia atmosférica recorde à noite para evitar incomodar (ou zapping) colegas ou alunos desavisados ​​durante o dia de trabalho. Eles tiveram que obter seus procedimentos de segurança aprovados antes de poderem reaproveitar o corredor.

“Foi uma experiência realmente única”, disse Andrew Goffin, um aluno de pós-graduação em engenharia elétrica e de computação da UMD que trabalhou no projeto e é o principal autor do artigo de jornal resultante. “Há muito trabalho para disparar lasers fora do laboratório com o qual você não precisa lidar quando está no laboratório – como colocar cortinas para proteger os olhos. Foi definitivamente cansativo.”

Todo o trabalho era ver até onde eles poderiam levar a técnica. Anteriormente, o laboratório de Milchberg demonstrou que um método semelhante funcionava para distâncias inferiores a um metro. Mas os pesquisadores encontraram um obstáculo ao estender seus experimentos para dezenas de metros: seu laboratório é muito pequeno e mover o laser é impraticável. Assim, um buraco na parede e um corredor se tornando espaço de laboratório.

“Houve grandes desafios: a enorme escala de até 50 metros nos forçou a reconsiderar a física fundamental da geração de guias de ondas aéreas, além de querer enviar um laser de alta potência por um corredor público de 50 metros de comprimento, naturalmente desencadeia grandes problemas de segurança, “, diz Milchberg. “Felizmente, obtivemos excelente cooperação tanto da física quanto do escritório de segurança ambiental de Maryland!”

Sem cabos de fibra ótica ou guias de onda, um feixe de luz – seja de um laser ou de uma lanterna – se expandirá continuamente à medida que viaja. Se for permitido se espalhar sem controle, a intensidade de um feixe pode cair para níveis inúteis. Esteja você tentando recriar um laser blaster de ficção científica ou detectar níveis de poluentes na atmosfera, bombeando-os com energia com um laser e capturando a luz liberada, vale a pena garantir uma entrega eficiente e concentrada da luz.

A solução potencial de Milchberg para esse desafio de manter a luz confinada é a luz adicional – na forma de pulsos de laser ultracurtos. Este projeto se baseou em um trabalho anterior de 2014, no qual seu laboratório demonstrou que eles poderiam usar esses pulsos de laser para esculpir guias de onda no ar.

A técnica de pulso curto utiliza a capacidade de um laser para fornecer uma intensidade tão alta ao longo de um caminho, chamado de filamento, que cria um plasma – uma fase da matéria onde os elétrons foram arrancados de seus átomos. Esse caminho energético aquece o ar, então ele se expande e deixa um caminho de ar de baixa densidade no rastro do laser. Este processo se assemelha a uma versão minúscula de iluminação e trovão, onde a energia do raio transforma o ar em um plasma que expande explosivamente o ar, criando o trovão; os estalos que os pesquisadores ouviram ao longo do caminho do feixe eram primos minúsculos do trovão.

Mas esses caminhos de filamentos de baixa densidade por conta própria não eram o que a equipe precisava para guiar um laser. Os pesquisadores queriam um núcleo de alta densidade (o mesmo dos cabos de fibra ótica da internet). Então, eles criaram um arranjo de múltiplos túneis de baixa densidade que naturalmente se difundem e se fundem em um fosso em torno de um núcleo mais denso de ar imperturbável.

Os experimentos de 2014 usaram um arranjo definido de apenas quatro filamentos de laser, mas o novo experimento aproveitou uma nova configuração de laser que aumenta automaticamente o número de filamentos dependendo da energia do laser; os filamentos distribuem-se naturalmente em torno de um anel.

Os pesquisadores mostraram que a técnica poderia estender o comprimento do guia de ondas de ar, aumentando a potência que eles poderiam fornecer a um alvo no final do corredor. Na conclusão da jornada do laser, o guia de ondas manteve cerca de 20% da luz que, de outra forma, teria sido perdida de sua área-alvo. A distância foi cerca de 60 vezes maior do que o recorde de experimentos anteriores. Os cálculos da equipe sugerem que eles ainda não estão perto do limite teórico da técnica e dizem que eficiências de orientação muito maiores devem ser facilmente alcançadas com o método no futuro.

“Se tivéssemos um corredor mais longo, nossos resultados mostram que poderíamos ter ajustado o laser para um guia de onda mais longo”, diz Andrew Tartaro, estudante de pós-graduação em física da UMD que trabalhou no projeto e é autor do artigo. “Mas temos nosso guia certo para o corredor que temos.”

Os pesquisadores também fizeram testes mais curtos de oito metros no laboratório, onde investigaram a física atuando no processo com mais detalhes. Para o teste mais curto, eles conseguiram fornecer cerca de 60% da luz potencialmente perdida para o alvo.

O som de estalo da formação de plasma foi colocado em uso prático em seus testes. Além de ser uma indicação de onde estava o feixe, também fornecia dados aos pesquisadores. Eles usaram uma linha de 64 microfones para medir o comprimento do guia de ondas e a força do guia de ondas ao longo de seu comprimento (mais energia gasta para fazer o guia de ondas se traduzir em um pop mais alto).

A equipe descobriu que o guia de ondas durou apenas centésimos de segundo antes de se dissipar no ar. Mas isso é uma eternidade para as rajadas de laser que os pesquisadores estavam enviando através dele: a luz pode percorrer mais de 3.000 km nesse tempo.

Com base no que os pesquisadores aprenderam com seus experimentos e simulações, a equipe está planejando experimentos para melhorar ainda mais o comprimento e a eficiência de seus guias de ondas aéreas. Eles também planejam guiar diferentes cores de luz e investigar se uma taxa de repetição de pulso de filamento mais rápida pode produzir um guia de onda para canalizar um feixe contínuo de alta potência.

“Atingir a escala de 50 metros para guias de ondas aéreas literalmente abre caminho para guias de ondas ainda mais longas e muitas aplicações”, diz Milchberg. “Com base nos novos lasers que logo teremos, temos a receita para estender nossos guias até um quilômetro e além.”