Experimento láser de casi 50 metros rompe récord en pasillo de universidad

No en todas las universidades se envían pulsos de láser lo suficientemente potentes como para quemar papel y piel en llamas por un pasillo. Pero eso es lo que sucedió en el Centro de Investigación de Energía de la UMD, un edificio de aspecto anodino en la esquina noreste del campus. Si visita el pasillo utilitario blanco y gris ahora, se parece a cualquier otro salón universitario, siempre que no mire detrás de un tablero de corcho y vea la placa de metal que cubre un agujero en la pared.

Pero durante algunas noches en 2021, el profesor de física de la UMD Howard Milchberg y sus colegas convirtieron el pasillo en un laboratorio: las superficies brillantes de las puertas y una fuente de agua se cubrieron para evitar reflejos potencialmente cegadores; Los pasillos de conexión estaban bloqueados con letreros, cinta aislante y materiales especiales. láser-cortinas negras absorbentes; y los equipos y cables científicos normalmente habitaban un espacio abierto para caminar.

Mientras los miembros del equipo trabajaban, un chasquido los alertó sobre el camino peligrosamente poderoso que el láser había cortado por el pasillo. A veces, el viaje del rayo terminaba en una loseta de cerámica blanca, llenando el aire con estallidos más fuertes y un olor metálico. Cada noche, un investigador se sentaba solo frente a una computadora en el laboratorio adyacente con un walkie-talkie y realizaba los ajustes de láser solicitados.

Sus esfuerzos fueron transfigurar temporalmente el aire delgado en una fibra cable óptico– o, más específicamente, un aire guiaondas– que guiaría la luz por decenas de metros. Como uno de los cables de Internet de fibra óptica que proporcionan caminos eficientes para los flujos de datos ópticos, una guía de ondas de aire prescribe un camino para la luz.

Estas guías de ondas de aire tienen muchas aplicaciones potenciales relacionadas con la recolección o transmisión de luz, como la detección de luz emitida por la contaminación atmosférica, la comunicación láser de largo alcance o incluso el armamento láser. Con una guía de ondas de aire, no hay necesidad de desenredar un cable sólido y preocuparse por las limitaciones de la gravedad; en cambio, el cable se forma rápidamente sin apoyo en el aire.

En un artículo aceptado para su publicación en la revista Examen físico X el equipo describió cómo establecieron un récord guiando la luz en guías de ondas aéreas de 45 metros de largo y explicaron la física detrás de su método.

Los investigadores llevaron a cabo su alquimia atmosférica sin precedentes durante la noche para evitar molestar (o zapping) a colegas o estudiantes desprevenidos durante la jornada laboral. Tenían que obtener la aprobación de sus procedimientos de seguridad antes de que pudieran reutilizar el pasillo.

«Fue una experiencia realmente única», dijo Andrew Goffin, estudiante graduado en ingeniería eléctrica e informática en la UMD que trabajó en el proyecto y es el autor principal del artículo de revista resultante. «Hay mucho trabajo para disparar láseres fuera del laboratorio con el que no tienes que lidiar cuando estás en el laboratorio, como poner cortinas para protegerte los ojos. Definitivamente fue agotador».

Todo el trabajo era ver hasta dónde podían llevar la técnica. Anteriormente, el laboratorio de Milchberg demostró que un método similar funcionaba para distancias de menos de un metro. Pero los investigadores encontraron un problema al extender sus experimentos a decenas de metros: su laboratorio es demasiado pequeño y mover el láser no es práctico. Así, un hueco en la pared y un pasillo se convierten en espacio de laboratorio.

«Hubo grandes desafíos: la enorme escala de hasta 50 metros nos obligó a reconsiderar la física fundamental de generar guías de ondas aerotransportadas, además de querer enviar un láser de alta potencia caminar por un corredor público de 50 metros de largo naturalmente plantea importantes problemas de seguridad», dice Milchberg. «Afortunadamente, obtuvimos una excelente cooperación tanto de la física como de la oficina de seguridad ambiental de Maryland».

Sin cables de fibra óptica ni guías de ondas, un rayo de luz– ya sea desde un láser o una linterna – se expandirá continuamente a medida que viaja. Si se permite que se propague sin control, la intensidad de un rayo puede caer a niveles inútiles. Ya sea que esté tratando de recrear un blaster láser de ciencia ficción o detectando niveles de contaminantes en la atmósfera bombeándolos con energía con un láser y capturando la luz liberada, vale la pena garantizar una entrega eficiente y enfocada de la luz.

La solución potencial de Milchberg para este desafío de mantener la luz confinada es luz adicional, en forma de pulsos de láser ultracortos. Este proyecto se basó en un trabajo anterior de 2014, en el que su laboratorio demostró que podían usar estos pulsos láser para esculpir guías de ondas en el aire.

La técnica de pulso corto utiliza la capacidad de un láser para entregar una intensidad tan alta a lo largo de un camino, llamado filamento, que crea un plasma, una fase de la materia donde los electrones han sido arrancados de sus átomos. Este camino energético calienta el aire, por lo que se expande y deja un camino de aire de baja densidad en la estela del láser. Este proceso se asemeja a una versión minúscula de relámpagos y truenos, donde la energía del relámpago convierte el aire en un plasma que expande explosivamente el aire, creando un trueno; los crujidos que los investigadores escucharon a lo largo del camino del rayo eran primos diminutos del trueno.

Pero estas rutas de filamentos de baja densidad por sí solas no eran lo que el equipo necesitaba para guiar un láser. Los investigadores querían un núcleo de alta densidad (igual que los cables de fibra óptica para Internet). Entonces crearon una serie de múltiples túneles de baja densidad que se extienden naturalmente y se unen en un espacio alrededor de un núcleo más denso de aire no perturbado.

Los experimentos de 2014 utilizaron una matriz establecida de solo cuatro filamentos láser, pero el nuevo experimento aprovecha una nueva configuración de láser que aumenta automáticamente la cantidad de filamentos según la energía del láser; los filamentos se distribuyen naturalmente alrededor de un anillo.

Los investigadores demostraron que la técnica podría extender la longitud de las guías de ondas de aire, aumentando la potencia que podrían entregar a un objetivo en el pasillo. Al final del viaje del láser, la guía de ondas retuvo alrededor del 20% de la luz que de otro modo se habría perdido en su área objetivo. La distancia fue unas 60 veces mayor que el récord de experimentos anteriores. Los cálculos del equipo sugieren que aún no están cerca del límite teórico de la técnica, y dicen que en el futuro deberían lograrse fácilmente eficiencias de orientación mucho mayores con el método.

«Si hubiéramos tenido un corredor más largo, nuestros resultados muestran que podríamos haber ajustado el láser a una guía de ondas más larga», dice Andrew Tartaro, estudiante graduado de física en la UMD que trabajó en el proyecto y es autor del artículo. «Pero tenemos nuestro guía justo para el pasillo que tenemos».

Los investigadores también realizaron pruebas más cortas de ocho metros en el laboratorio, donde investigaron la física en el proceso con más detalle. Para la prueba más corta, lograron entregar alrededor del 60% de la luz potencialmente perdida al objetivo.

El sonido de estallido de la formación de plasma se puso en práctica en sus pruebas. Además de ser una indicación de dónde estaba el haz, también proporcionó datos a los investigadores. Usaron una línea de 64 micrófonos para medir la longitud de la guía de ondas y la fuerza de la guía de ondas a lo largo de su longitud (se gastó más energía para hacer que la guía de ondas se tradujera en un estallido más fuerte).

El equipo descubrió que la guía de ondas duró solo unas pocas centésimas de segundo antes de disiparse en el aire. Pero eso es una eternidad para las ráfagas de láser que los investigadores enviaban a través de él: la luz puede viajar más de 3.000 km en ese tiempo.

Con base en lo que los investigadores aprendieron de sus experimentos y simulaciones, el equipo está planeando experimentos para mejorar aún más la longitud y la eficiencia de sus guías de ondas de aire. También planean guiar diferentes colores de luz e investigar si una tasa de repetición de pulso de filamento más rápida puede producir una guía de ondas para canalizar un haz continuo de alta potencia.

«Alcanzar la escala de 50 metros para guías de ondas aéreas literalmente abre el camino para guías de ondas aún más largas y muchas aplicaciones», dice Milchberg. “Con base en los nuevos láseres que pronto tendremos, tenemos la receta para extender nuestras guías hasta un kilómetro y más”.