Nearly 50-meter laser experiment sets record in university hallway
Une expérience laser de près de 50 mètres établit un record dans le couloir de l'université
par l'Université du Maryland
Un laser est envoyé dans un couloir UMD dans une expérience pour capter la lumière alors qu'il parcourt 45 mètres. Crédit : Laboratoire Interactions Laser-Matière Intenses, UMD
Ce n'est pas dans toutes les universités que des impulsions laser suffisamment puissantes pour brûler du papier et de la peau sont envoyées dans un couloir. Mais c'est ce qui s'est passé dans l'Energy Research Facility de l'UMD, un bâtiment d'aspect banal situé à l'angle nord-est du campus. Si vous visitez maintenant la salle utilitaire blanche et grise, elle ressemble à n'importe quelle autre salle universitaire, tant que vous ne regardez pas derrière un panneau de liège et que vous ne repérez pas la plaque de métal recouvrant un trou dans le mur.
Mais pendant quelques nuits en 2021, le professeur de physique de l'UMD Howard Milchberg et ses collègues ont transformé le couloir en laboratoire : les surfaces brillantes des portes et une fontaine à eau ont été recouvertes pour éviter les reflets potentiellement aveuglants ; les couloirs de liaison étaient bloqués par des panneaux, du ruban adhésif et des rideaux noirs spéciaux absorbant le laser ; et l'équipement scientifique et les câbles habitaient un espace de marche normalement ouvert.
Alors que les membres de l'équipe effectuaient leur travail, un claquement sonore les avertit du chemin dangereusement puissant que le laser traçait dans le couloir. Parfois, le voyage du faisceau se terminait par un bloc de céramique blanche, remplissant l'air de pops plus forts et d'une saveur métallique. Chaque nuit, un chercheur était assis seul devant un ordinateur dans le laboratoire adjacent avec un talkie-walkie et effectuait les ajustements demandés au laser.
Leurs efforts consistaient à transfigurer temporairement l'air fin en un câble à fibre optique - ou, plus précisément, un guide d'ondes d'air - qui guiderait la lumière sur des dizaines de mètres. Comme l'un des câbles Internet à fibre optique qui fournissent des autoroutes efficaces pour les flux de données optiques, un guide d'ondes aérien prescrit un chemin pour la lumière.
Ces guides d'ondes aériens ont de nombreuses applications potentielles liées à la collecte ou à la transmission de la lumière, telles que la détection de la lumière émise par la pollution atmosphérique, la communication laser à longue portée ou même les armes laser. Avec un guide d'onde à air, il n'est pas nécessaire de dérouler un câble solide et de se préoccuper des contraintes de gravité ; au lieu de cela, le câble se forme rapidement sans support dans l'air.
Dans un article accepté pour publication dans la revue Physical Review X, l'équipe a décrit comment elle a établi un record en guidant la lumière dans des guides d'ondes d'air de 45 mètres de long et a expliqué la physique derrière sa méthode.
Les chercheurs ont mené leur alchimie atmosphérique record la nuit pour éviter de gêner (ou de zapper) des collègues ou des étudiants sans méfiance pendant la journée de travail. Ils devaient faire approuver leurs procédures de sécurité avant de pouvoir réaffecter le couloir.
"Ce fut une expérience vraiment unique", déclare Andrew Goffin, un étudiant diplômé en génie électrique et informatique de l'UMD qui a travaillé sur le projet et qui est l'un des principaux auteurs de l'article de revue qui en a résulté. "Il y a beaucoup de travail qui est nécessaire pour tirer des lasers à l'extérieur du labo et que vous n'avez pas à gérer lorsque vous êtes dans le labo, comme installer des rideaux pour la sécurité des yeux. C'était vraiment fatigant."
Tout le travail consistait à voir jusqu'où ils pouvaient pousser la technique. Auparavant, le laboratoire de Milchberg avait démontré qu'une méthode similaire fonctionnait pour des distances inférieures à un mètre. Mais les chercheurs se sont heurtés à un obstacle en étendant leurs expériences à des dizaines de mètres : leur laboratoire est trop petit et déplacer le laser n'est pas pratique. Ainsi, un trou dans le mur et un couloir deviennent un espace laboratoire.
d'ondes, un faisceau lumineux, qu'il provienne d'un laser ou d'une lampe de poche, s'étendra en continu au fur et à mesure de son déplacement. S'il est autorisé à se propager sans contrôle, l'intensité d'un faisceau peut chuter à des niveaux inutiles. Que vous essayiez de recréer un blaster laser de science-fiction ou de détecter les niveaux de polluants dans l'atmosphère en les pompant d'énergie avec un laser et en capturant la lumière émise, il est avantageux d'assurer une diffusion efficace et concentrée de la lumière.
La solution potentielle de Milchberg à ce défi de garder la lumière confinée est une lumière supplémentaire, sous la forme d'impulsions laser ultra-courtes. Ce projet s'appuyait sur des travaux antérieurs de 2014 dans lesquels son laboratoire avait démontré qu'ils pouvaient utiliser de telles impulsions laser pour sculpter des guides d'ondes dans l'air.
La technique des impulsions courtes utilise la capacité d'un laser à fournir une intensité si élevée le long d'un chemin, appelé filament, qu'il crée un plasma, une phase de la matière où les électrons ont été arrachés de leurs atomes. Ce chemin énergétique chauffe l'air, de sorte qu'il se dilate et laisse un chemin d'air à faible densité dans le sillage du laser. Ce processus ressemble à une version minuscule de l'éclairage et du tonnerre où l'énergie de l'éclair transforme l'air en un plasma qui dilate l'air de manière explosive, créant le coup de tonnerre ; les claquements que les chercheurs ont entendus le long du trajet du faisceau étaient les minuscules cousins du tonnerre.
Mais ces chemins de filaments à faible densité n'étaient pas à eux seuls ce dont l'équipe avait besoin pour guider un laser. Les chercheurs voulaient un noyau à haute densité (le même que les câbles à fibre optique Internet). Ainsi, ils ont créé un agencement de plusieurs tunnels à faible densité qui se diffusent naturellement et se fondent dans un fossé entourant un noyau plus dense d'air non perturbé.
Les expériences de 2014 ont utilisé un agencement défini de seulement quatre filaments laser, mais la nouvelle expérience a profité d'une nouvelle configuration laser qui augmente automatiquement le nombre de filaments en fonction de l'énergie laser ; les filaments se répartissent naavec un guide d'onde (à droite). Crédit : Laboratoire Interactions Laser-Matière Intenses, UMD
La technique des impulsions courtes utilise la capacité d'un laser à fournir une intensité si élevée le long d'un chemin, appelé filament, qu'il crée un plasma, une phase de la matière où les électrons ont été arrachés de leurs atomes. Ce chemin énergétique chauffe l'air, de sorte qu'il se dilate et laisse un chemin d'air à faible densité dans le sillage du laser. Ce processus ressemble à une version minuscule de l'éclairage et du tonnerre où l'énergie de l'éclair transforme l'air en un plasma qui dilate l'air de manière explosive, créant le coup de tonnerre ; les claquements que les chercheurs ont entendus le long du trajet du faisceau étaient les minuscules cousins du tonnerre.
Mais ces chemins de filaments à faible densité n'étaient pas à eux seuls ce dont l'équipe avait besoin pour guider un laser. Les chercheurs voulaient un noyau à haute densité (le même que les câbles à fibre optique Internet). Ainsi, ils ont créé un agencement de plusieurs tunnels à faible densité qui se diffusent naturellement et se fondent dans un fossé entourant un noyau plus dense d'air non perturbé.
Les expériences de 2014 ont utilisé un agencement défini de seulement quatre filaments laser, mais la nouvelle expérience a profité d'une nouvelle configuration laser qui augmente automatiquement le nombre de filaments en fonction de l'énergie laser ; les filaments se répartissent naturellement autour d'un anneau.
Les chercheurs ont montré que la technique pouvait étendre la longueur du guide d'ondes d'air, augmentant la puissance qu'ils pouvaient fournir à une cible au bout du couloir. À la fin du parcours du laser, le guide d'ondes avait conservé environ 20 % de la lumière qui, autrement, aurait été perdue de sa zone cible. La distance était environ 60 fois plus grande que leur record des expériences précédentes. Les calculs de l'équipe suggèrent qu'ils ne sont pas encore proches de la limite théorique de la technique, et ils disent que des efficacités de guidage beaucoup plus élevées devraient être facilement réalisables avec la méthode à l'avenir.
"Si nous avions un couloir plus long, nos résultats montrent que nous aurions pu ajuster le laser pour un guide d'ondes plus long", explique Andrew Tartaro, un étudiant diplômé en physique de l'UMD qui a travaillé sur le projet et est l'un des auteurs de l'article. "Mais nous avons notre guide juste pour le couloir que nous avons."
Les chercheurs ont également effectué des tests plus courts de huit mètres en laboratoire où ils ont étudié plus en détail la physique qui se joue dans le processus. Pour le test le plus court, ils ont réussi à fournir environ 60 % de la lumière potentiellement perdue à leur cible.
Le bruit sec de la formation de plasma a été mis en pratique dans leurs tests. En plus d'être une indication de l'endroit où se trouvait le faisceau, il a également fourni des données aux chercheurs. Ils ont utilisé une ligne de 64 microphones pour mesurer la longueur du guide d'ondes et la force du guide d'ondes sur sa longueur (plus d'énergie entrant dans la fabrication du guide d'ondes se traduit par un bruit plus fort).
L'équipe a découvert que le guide d'ondes ne durait que quelques centièmes de seconde avant de se dissiper dans l'air. Mais c'est une éternité pour les rafales laser que les chercheurs lui envoyaient : la lumière peut parcourir plus de 3 000 km pendant cette période.
Sur la base de ce que les chercheurs ont appris de leurs expériences et simulations, l'équipe prévoit des expériences pour améliorer encore la longueur et l'efficacité de leurs guides d'ondes. Ils prévoient également de guider différentes couleurs de lumière et d'étudier si un taux de répétition d'impulsions de filament plus rapide peut produire un guide d'ondes pour canaliser un faisceau continu de haute puissance.
"Atteindre l'échelle de 50 mètres pour les guides d'ondes dans l'air ouvre littéralement la voie à des guides d'ondes encore plus longs et à de nombreuses applications", déclare Milchberg. "Basé sur de nouveaux laseE
turellement autour d'un anne
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COOMMENTAIRE
Manip trés astucieuse BRAVO !!
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More information: A. Goffin et al, Optical guiding in 50-meter-scale air waveguides, arXiv (2022). DOI: 10.48550/arxiv.2208.04240. (paper accepted for publication in the journal Physical Review X)
Journal information: Physical Review X
Provided by University of Maryland
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