Los físicos acaban de establecer un nuevo récord al confinar un pulso de láser autoenfocado en una jaula de aire, a lo largo de un corredor universitario de 45 metros de largo (148 pies de largo).
Con resultados anteriores muy por debajo de un metro, este nuevo experimento dirigido por el físico Howard Milchberg de la Universidad de Maryland (UMD) abre nuevos caminos para confinar la luz a canales conocidos como guías de ondas de aire.
Un artículo que describe la investigación ha sido aceptado en la revista. Examen físico X, ay mientras tanto se puede encontrar en el servidor de preimpresión arXiv . Los resultados podrían inspirar nuevas formas de lograr comunicaciones basadas en láser de largo alcance o incluso tecnología avanzada de armas basadas en láser.
“Si tuviéramos un pasillo más largo, nuestros resultados muestran que podríamos haber ajustado el láser para una guía de ondas más larga”. dice el físico de la UMD Andrew Tartaro
“Pero tenemos nuestra guía adecuada para el pasillo que tenemos”.
Los láseres pueden ser útiles para una variedad de aplicaciones, pero los rayos coherentes de luz ordenada deben ser acorralados y enfocados de alguna manera. Si se deja a su suerte, un láser se dispersará, perdiendo potencia y eficacia.
Una de estas técnicas de enfoque es la guiaondasy es exactamente lo que parece: guía las ondas electromagnéticas por un camino específico, evitando que se dispersen.
Fibra óptica es un ejemplo. Este consiste en un tubo de vidrio a lo largo del cual se dirigen las ondas electromagnéticas. Debido a que el revestimiento alrededor del exterior del tubo tiene un índice de refracción más bajo que el centro del tubo, la luz que intenta dispersarse se dobla hacia el interior del tubo, manteniendo el haz a lo largo de su longitud.
En 2014, Milchberg y sus colegas demostraron con éxito lo que llamaron una guía de ondas de aire. En lugar de usar una construcción física como un tubo, usaron pulsos de láser para acorralar su luz láser. Descubrieron que el láser pulsado crea un plasma que calienta el aire a su paso, dejando atrás un camino de aire de menor densidad. Es como un relámpago y un trueno en miniatura: el aire de baja densidad que se expande crea un sonido como un pequeño trueno que sigue al láser, creando lo que se conoce como filamento.
El aire de menor densidad tiene un índice de refracción más bajo que el aire que lo rodea, como el revestimiento alrededor de un tubo de fibra óptica. Entonces, disparar estos filamentos en una configuración específica que “enjaula” un rayo láser en su centro crea efectivamente una guía de ondas en el aire.
Los experimentos iniciales descrito en 2014 creó una guía de ondas de aire de unos 70 centímetros (2,3 pies) de largo, utilizando cuatro filamentos. Para escalar el experimento, necesitaban más filamentos y un túnel mucho más largo por el que iluminar sus luces, preferiblemente sin tener que mover su equipo pesado. Por lo tanto, un largo corredor en el Centro de Investigación de Energía de la UMD, se modificó para permitir la propagación segura de rayos láser a través de un agujero en la pared del laboratorio.
Se bloquearon los puntos de entrada a los corredores, se cubrieron superficies brillantes y se desplegaron cortinas absorbentes de láser.
“Fue una experiencia realmente única”, dice el ingeniero eléctrico de UMD Andrew Goffinel primer autor del artículo del equipo.
“Hay mucho trabajo relacionado con disparar láseres fuera del laboratorio con el que no tienes que lidiar cuando estás en el laboratorio, como poner cortinas para la seguridad de los ojos. Definitivamente fue agotador”.
Finalmente, el equipo pudo crear una guía de ondas capaz de atravesar un corredor de 45 metros, acompañada de crujidos y estallidos, los pequeños truenos creados por su filamento láser “relámpago”. Al final de la guía de ondas de aire, el pulso láser en el centro había retenido alrededor del 20 por ciento de la luz que de otro modo se habría perdido sin una guía de ondas.
De vuelta en el laboratorio, el equipo también estudió una guía de ondas de aire más corta, de 8 metros, para tomar medidas de los procesos que ocurrían en el pasillo, donde no tenían el equipo para hacerlo. Estas pruebas más cortas pudieron retener el 60 por ciento de la luz que se habría perdido. Los pequeños truenos también fueron útiles: cuanto más enérgica era la guía de ondas, más fuerte era el estallido.
Sus experimentos revelaron que la guía de ondas es extremadamente fugaz, con una duración de solo centésimas de segundo. Sin embargo, para guiar algo que viaja a la velocidad de la luz, ese tiempo es suficiente.
La investigación sugiere dónde se pueden realizar mejoras; por ejemplo, una mayor eficiencia y longitud de guiado debería dar como resultado una pérdida de luz aún menor. El equipo también quiere probar diferentes colores de luz láser y una frecuencia de pulso de filamento más rápida, para ver si pueden guiar un rayo láser continuo.
“Alcanzar la escala de 50 metros para guías de ondas de aire literalmente abre el camino para guías de ondas aún más largas y muchas aplicaciones”. milchberg dice.
“Basándonos en los nuevos láseres que pronto obtendremos, tenemos la receta para extender nuestras guías a un kilómetro y más”.
La investigación ha sido aceptada en Examen físico Xy está disponible en arXiv.