Воздушный волновод: оптокабели делают из чистого воздуха
Исследователи из университета Мэриленда предлагают мгновенно прокладывать "оптические кабели" в любую точку на Земле или даже в космос. Новая работа Говарда Милчберга (Howard Milchberg) и его коллег доказывает, что такая возможность существует.
В статье, опубликованной в журнале Optica, учёные описывают так называемый "воздушный волновод" для усиления оптических сигналов, полученных от удалённых источников. Эти воздушные волноводы могут иметь массу практических применений, в том числе и в лазерной коммуникации, детектировании загрязнений окружающей среды и создании топографических карт в высоком разрешении, а также для конструирования лазерного оружия.
Поскольку свет теряет интенсивность с увеличением расстояния, диапазон выполнения некоторых задач оказывается ограниченным. Даже лазеры, которые производят точно направленные лучи, теряют фокус из-за естественного распространения света, или в силу их взаимодействия с газами в воздухе. Волоконно-оптические кабели могут направлять световые лучи по трубке, предотвращая потерю интенсивности или фокуса.
Обычные оптоволокна состоят из прозрачной стеклянной сердцевины, окружённой материалом-обложкой с более низким показателем преломления. Когда свет пытается покинуть сердцевину, он отражается обратно внутрь кабеля. Но твёрдые оптические волокна могут справляться только с определённым количеством мощности и нуждаются в физической поддержке, которую трудно обеспечить, к примеру, в космосе или в верхних слоях атмосферы.
Команда Милчберга нашла способ заставить обычный воздух вести себя как оптическое волокно, направляя пучки света на большие расстояния без потери мощности.
Воздушные волноводы Милчберга состоят из "стенки" воздуха низкой плотности, которая окружает ядро из воздуха более высокой плотности. Стенка имеет более низкий показатель преломления, чем сердцевина — так же, как и в оптическом волокне.
В рамках эксперимента физики из Мэриленда обстреляли воздух с помощью лазера для создания искры. Воздушные волноводы проводили свет от искры к детектору, расположенному в метре от источника. Исследователи собрали достаточно сильный сигнал для анализа химического состава воздуха, сгенерировавшего искру.
Сигнал был в полтора раза мощнее, чем сигнал, полученный без волновода. Это не так много, но если речь идёт о больших расстояниях, на которых может произойти значительное ослабление сигнала, его усиление таким методом сыграет большую роль.
Учёные создают воздушные волноводы при помощи очень коротких, но очень мощных лазерных импульсов. Достаточно мощный лазерный импульс в воздухе коллапсирует в узкий пучок, так называемую нить. Это происходит в силу того, что лазерный свет увеличивает показатель преломления воздуха в центре пучка, как если бы каждый импульс имел свою собственную линзу.
В своих прежних исследованиях Милчберг и его коллеги показали, что нити нагревают воздух, когда проходят сквозь него, в результате чего воздух расширяется и оставляет за собой "дыры" из воздуха низкой плотности. Эти дыры имеют более низкий показатель преломления, чем воздух вокруг них.
Несмотря на то, что сама нить существует очень недолго — менее одной триллионной доли секунды — пока образуется дыра, проходит в миллиард раз больше времени.
"Это можно сравнить с получением пощёчины. Сам удар длится секунду, но затем ткани лица двигаются ещё какое-то время", — поясняет Милчберг в пресс-релизе.
Исследователи рассказали, что если четыре нити выпустить в форме квадрата, результирующие дыры сформируют стенку низкой плотности, необходимую для создания волновода. Когда между этими отверстиями пустили ещё более мощный пучок света, второй луч при прохождении расстояния в один метр практически не потерял интенсивности.
Важно отметить, что трубка, образованная нитями, просуществовала несколько миллисекунд, то есть в миллион раз дольше, чем сам лазерный импульс. А, как поясняют физики, для многих областей применения, миллисекунда — это почти вечность.
Поскольку волноводы настолько долговечны, учёные полагают, что один единственный волновод может быть использован для отправки лазерного луча и приёма сигнала.
"Это всё равно, как если бы вы взяли физическое оптоволокно и разматывали бы его со скоростью света, затем поместили бы рядом с удалённым предметом изучения, и ловили бы сигнал обратно в точке отправления", — говорит Милчберг.
В своих следующих экспериментах Милчберг и его коллеги планируют увеличить расстояние, по крайней мере, до 50 метров. Если всё будет работать, то по словам физиков, откроется целый новый мир интересных возможностей.
Воздушные волноводы могут быть использованы для проведения химических анализов в верхних слоях атмосферы или ядерных реакторах. Также они будут применяться для лазерного сканирования (лидары) при создании топографических карт в высоком разрешении.
