Experimento em Maryland demonstra operação contínua de fibra óptica feita de ar rarefeito

Pesquisadores da Universidade de Maryland demonstraram uma fibra óptica de operação contínua feita de ar rarefeito.

As fibras ópticas mais comuns são fios de vidro que confinam firmemente a luz por longas distâncias. No entanto, essas fibras não são adequadas para guiar feixes de laser de potência extremamente alta devido a danos no vidro e dispersão da energia do laser para fora da fibra. Além disso, a necessidade de uma estrutura de suporte físico significa que a fibra de vidro deve ser colocada muito antes da transmissão ou coleta do sinal de luz.

Howard Milchberg e seu grupo nos Depts. of Physics, ECE e o Institute for Research in Electronics and Applied Physics da University of Maryland demonstraram um método de orientação ótica que supera ambas as limitações, usando pulsos de laser ultracurtos auxiliares para esculpir guias de onda de fibra ótica no próprio ar. Esses pulsos curtos formam um anel de estruturas de luz de alta intensidade chamadas "filamentos", que aquecem as moléculas de ar para formar um anel estendido de ar aquecido de baixa densidade em torno de uma região central não perturbada; esta é exatamente a estrutura do índice de refração de uma fibra óptica. Com o próprio ar como fibra, potências médias muito altas podem potencialmente ser guiadas. E para coleta de sinais ópticos remotos para detectar poluentes e fontes radioativas, por exemplo, o guia de ondas de ar pode ser arbitrariamente "desenrolado" e direcionado na velocidade da luz em qualquer direção.

Em um experimento publicado em janeiro na Physical Review X [Physical Review X 13, 011006 (2023)], o estudante de pós-graduação Andrew Goffin e colegas do grupo de Milchberg mostraram que essa técnica pode formar guias de ondas de ar de 50 metros de comprimento que persistem por dezenas de milissegundos até que se dissipem do resfriamento pelo ar circundante. Gerados usando apenas um watt de potência média de laser, esses guias de onda poderiam, teoricamente, guiar feixes de laser de potência média de megawatts, tornando-os candidatos excepcionais para energia direcionada. O método de guia de onda é diretamente escalável para 1 quilômetro e mais. No entanto, o laser gerador de guia de onda naquele trabalho disparou um pulso a cada 100 milissegundos (taxa de repetição de 10 Hz), com dissipação de resfriamento superior a 30 milissegundos, deixando 70 milissegundos entre os disparos sem a presença do guia de ondas de ar. Isso é um impedimento para guiar um laser de onda contínua ou coletar um sinal óptico contínuo.

Em um novo Memorando na Optica [Optica 10, 505 (2023)], Andrew Goffin, Andrew Tartaro e Milchberg mostram que, aumentando a taxa de repetição do pulso gerador do guia de onda até 1000 Hz (um pulso a cada milissegundo), o ar O guia de ondas é continuamente mantido pelo aquecimento e aprofundamento do guia de ondas mais rápido do que o ar circundante pode resfriá-lo. O resultado é um guia de ondas de ar de operação contínua que pode guiar um feixe de laser de onda contínua injetado. Como o guia de ondas é aprofundado pela geração repetitiva, a eficiência do confinamento de luz guiada melhora por um fator de três na taxa de repetição mais alta.

O guiamento óptico de onda contínua melhora significativamente a utilidade dos guias de ondas aéreas: aumenta a potência média máxima do laser que se pode transportar e mantém a estrutura de guiamento para uso na coleta contínua de sinais ópticos remotos. E como os guias de onda em escala de quilômetros e mais longos são mais largos, o resfriamento é mais lento e uma taxa de repetição bem abaixo de 1 kHz será necessária para manter o guia. Este requisito mais brando torna a orientação de ondas de ar contínua ao longo de um quilômetro e alcances mais longos facilmente alcançáveis ​​com a tecnologia de laser existente e níveis de potência modestos.

"Com um sistema de laser apropriado para gerar o guia de ondas, o guiamento contínuo de longa distância deve ser facilmente factível", diz Goffin, "Uma vez que temos isso, é apenas uma questão de tempo até que transmitamos feixes de laser contínuos de alta potência e detectemos poluentes a quilômetros de distância."

Fonte: Universidade de Maryland