L'esperimento del Maryland dimostra il funzionamento continuo della fibra ottica fatta di aria sottile

I ricercatori dell’Università del Maryland hanno dimostrato una fibra ottica a funzionamento continuo fatta di aria sottile.

Le fibre ottiche più comuni sono fili di vetro che confinano strettamente la luce su lunghe distanze. Tuttavia, queste fibre non sono adatte per guidare raggi laser ad altissima potenza a causa dei danni al vetro e della dispersione dell'energia laser fuori dalla fibra. Inoltre, la necessità di una struttura di supporto fisico significa che la fibra di vetro deve essere posata con molto anticipo rispetto alla trasmissione o alla raccolta del segnale luminoso.

Howard Milchberg e il suo gruppo nei Dipartimenti. di Fisica, ECE e l'Istituto di Ricerca in Elettronica e Fisica Applicata dell'Università del Maryland hanno dimostrato un metodo di guida ottica che supera entrambe le limitazioni, utilizzando impulsi laser ultracorti ausiliari per scolpire guide d'onda in fibra ottica nell'aria stessa. Questi brevi impulsi formano un anello di strutture luminose ad alta intensità chiamate "filamenti", che riscaldano le molecole d'aria per formare un anello esteso di aria riscaldata a bassa densità che circonda una regione centrale indisturbata; questa è esattamente la struttura dell'indice di rifrazione di una fibra ottica. Utilizzando l'aria stessa come fibra, è possibile guidare potenzialmente potenze medie molto elevate. E per la raccolta di segnali ottici remoti per il rilevamento di sostanze inquinanti e fonti radioattive, ad esempio, la guida d'onda dell'aria può essere arbitrariamente "srotolata" e diretta alla velocità della luce in qualsiasi direzione.

In un esperimento pubblicato a gennaio su Physical Review X [Physical Review X 13, 011006 (2023)], lo studente laureato Andrew Goffin e colleghi del gruppo di Milchberg hanno dimostrato che questa tecnica può formare guide d'onda d'aria lunghe 50 metri che persistono per decine di millisecondi finché non si dissipano per il raffreddamento causato dall'aria circostante. Generate utilizzando solo un watt di potenza laser media, queste guide d'onda potrebbero teoricamente guidare raggi laser di potenza media di megawatt, rendendoli candidati eccezionali per l'energia diretta. Il metodo della guida d'onda è facilmente scalabile fino a 1 chilometro e oltre. Tuttavia, il laser generatore di guida d'onda in quell'opera ha emesso un impulso ogni 100 millisecondi (frequenza di ripetizione di 10 Hz), con una dissipazione di raffreddamento di oltre 30 millisecondi, lasciando 70 millisecondi tra gli scatti senza la guida d'onda d'aria presente. Ciò costituisce un ostacolo alla guida di un laser ad onda continua o alla raccolta di un segnale ottico continuo.

In un nuovo Memorandum in Optica [Optica 10, 505 (2023)], Andrew Goffin, Andrew Tartaro e Milchberg mostrano che aumentando la velocità di ripetizione dell'impulso che genera la guida d'onda fino a 1000 Hz (un impulso ogni millisecondo), l'aria la guida d'onda viene mantenuta continuamente riscaldando e approfondendo la guida d'onda più velocemente di quanto l'aria circostante possa raffreddarla. Il risultato è una guida d'onda aerea a funzionamento continuo in grado di guidare un raggio laser a onda continua iniettato. Poiché la guida d'onda viene approfondita mediante generazione ripetitiva, l'efficienza del confinamento della luce guidata migliora di un fattore tre al tasso di ripetizione più elevato.

La guida ottica a onda continua migliora significativamente l'utilità delle guide d'onda aeree: aumenta la potenza laser media massima che è possibile trasportare e mantiene la struttura di guida per l'uso nella raccolta continua di segnali ottici remoti. E poiché le guide d’onda su scala chilometrica e più lunghe sono più larghe, il raffreddamento è più lento e per mantenere la guida sarà necessaria una frequenza di ripetizione ben inferiore a 1 kHz. Questo requisito più indulgente rende facilmente ottenibile la guida d'onda aerea continua per chilometri e distanze maggiori con la tecnologia laser esistente e livelli di potenza modesti.

"Con un sistema laser appropriato per generare la guida d'onda, la guida continua a lunga distanza dovrebbe essere facilmente realizzabile", afferma Goffin, "Una volta ottenuto questo, sarà solo questione di tempo prima di poter trasmettere raggi laser continui ad alta potenza e rilevare gli inquinanti a chilometri di distanza."

Fonte: Università del Maryland