سجلت تجربة ليزر بطول 50 مترًا رقماً قياسياً في ممرات الجامعة

لا تطلق جميع الجامعات نبضات ليزر قوية بما يكفي لحرق الورق والجلد في الممرات. ولكن هذا بالضبط ما حدث في منشأة أبحاث الطاقة التابعة لـ UMD ، وهو مبنى مذهل المظهر في الركن الشمالي الشرقي من الحرم الجامعي. إذا قمت بزيارة القاعة البيضاء والرمادية التي تستخدمها الآن ، فستبدو مثل أي قاعة جامعة أخرى – إذا لم تصعد خلف لوح الفلين ورأيت لوحة معدنية تغطي ثقبًا في الحائط.

ولكن لبضع ليالٍ في عام 2021 ، حوّل أستاذ الفيزياء هوارد ميلشبرغ وزملاؤه المدخل إلى مختبر: تمت تغطية الأسطح اللامعة للأبواب ونافورة المياه لتجنب الانعكاسات المسببة للعمى ؛ الممرات المتصلة مسدودة باللافتات وشريط التحذير والخاصة الليزر– ستائر تعتيم ماصة ؛ وتوجد عادة المعدات والكابلات العلمية في ممر مفتوح.

أثناء قيام أعضاء الفريق بعملهم ، نبههم صوت طقطقة إلى شعاع ليزر قوي بشكل خطير أسفل القاعة. في بعض الأحيان ، كانت رحلة Beam تنتهي بقطعة من السيراميك الأبيض ، تملأ الهواء بفرقعات صاخبة وتانغ معدني. في كل ليلة ، كان الباحث يجلس بمفرده أمام جهاز كمبيوتر في مختبر قريب مع جهاز اتصال لاسلكي ويقوم بإجراء التعديلات المطلوبة على الليزر.

جهودهم هي تحويل الهواء الرقيق مؤقتًا إلى خيوط كابل بصري– أو ، بشكل أكثر تحديدًا ، نسيم الدليل الموجي– يمكنه توجيه الضوء لعشرات الأمتار. مثل أحد كابلات الإنترنت بالألياف الضوئية التي توفر طرقًا سريعة فعالة لتدفقات البيانات الضوئية ، يقترح دليل الموجة الهوائية مسارًا للضوء.

تحتوي أدلة الموجات الهوائية هذه على العديد من التطبيقات المحتملة المتعلقة باكتشاف الضوء المنبعث من التلوث الجوي ، أو الاتصال بالليزر بعيد المدى ، أو جمع الضوء أو إرساله مثل أسلحة الليزر. مع دليل الموجة الهوائية ، ليست هناك حاجة لفك تشابك كابل صلب ولا داعي للقلق بشأن قيود الجاذبية ؛ بدلاً من ذلك ، يتطور الكبل بسرعة غير مدعوم في الهواء.

في ورقة مقبولة للنشر في المجلة الفحص البدني X شرحوا كيف حققوا هذا الإنجاز من خلال توجيه الضوء من خلال موجهات الرياح بطول 45 مترًا والفيزياء الكامنة وراء طريقتهم.

سجل الباحثون كيمياء الغلاف الجوي في الليل لتجنب إزعاج الزملاء أو الطلاب المطمئنين أثناء يوم العمل. يجب أن يوافقوا على إجراءات السلامة الخاصة بهم قبل إعادة بناء الرواق.

يقول Andrew Coffin ، طالب دراسات عليا في الهندسة الكهربائية وهندسة الكمبيوتر من UMD عمل في المشروع: “لقد كانت تجربة فريدة جدًا”. “هناك الكثير من العمل الذي ينطوي عليه تصوير الليزر خارج الليزر والذي لا يتعين عليك التعامل معه عندما تكون في المختبر – مثل وضع ستائر لحماية العين. لقد كان أمرًا متعبًا بالتأكيد.”

كل العمل هو لمعرفة إلى أي مدى يمكنهم دفع التقنية. أظهر مختبر Milchberg سابقًا أن طريقة مماثلة تعمل على مسافات تقل عن متر. لكن الباحثين واجهوا عقبة في توسيع تجاربهم لعشرات الأمتار: كان مختبرهم صغيرًا جدًا وكان تحريك الليزر غير عملي. وهكذا ، فإن الفتحة الموجودة في الحائط والممر تصبح مساحة معملية.

“كانت هناك تحديات كبيرة: أجبرنا الحجم الهائل الذي يصل إلى 50 مترًا على إعادة التفكير في الفيزياء الأساسية لبناء دليل موجي للرياح ، ونريد إرسال ليزر عالي الطاقة يقول ميلشبيرج: “إن الرصيف العام الذي يبلغ طوله 50 متراً يثير بطبيعة الحال قضايا السلامة الرئيسية. ولحسن الحظ ، كان لدينا تعاون كبير من كل من قسم الفيزياء ومكتب حماية البيئة في ماريلاند”.

بدون كابلات الألياف الضوئية أو أدلة الموجات ، أ شعاع الضوءمن الليزر أو المصباح اليدوي – يستمر في التوسع أثناء انتقاله. إذا سمح بالانتشار دون رادع ، فسيتم تقليل شدة الحزمة إلى عدم الفعالية. سواء كنت تحاول إعادة إنشاء ناسف ليزر خيال علمي أو قياس مستويات التلوث في الغلاف الجوي عن طريق ضخ الطاقة الكاملة من خلال الليزر والتقاط الضوء المنبعث ، فإنه يضمن توزيعًا فعالًا ومركّزًا للضوء.

يتمثل الحل المحتمل لميلشبيرج لهذا التحدي المتمثل في التحكم في الضوء في شكل ضوء إضافي – نبضات ليزر فائقة القصر. يعتمد المشروع على العمل السابق من عام 2014 ، حيث أظهر مختبره أن نبضات الليزر هذه يمكن استخدامها لحفر أدلة الموجات في الهواء.

تستخدم تقنية النبضات القصيرة قدرة الليزر على إيصال كثافة عالية على طول مسار يسمى الشعيرة ، مما يؤدي إلى تكوين البلازما ، وهي مرحلة من المادة يتم فيها تحرير الإلكترونات من ذراتها. يسخن هذا المسار النشط الهواء ، لذلك يتمدد ويترك مسارًا أقل كثافة من الهواء في أعقاب الليزر. تشبه العملية نسخة مصغرة من Lightning and Thunder ، حيث تعمل طاقة الصاعقة على تحويل الهواء إلى بلازما ، مما يوسع الهواء بشكل متفجر ، مما يؤدي إلى حدوث قصف رعد ؛ أصوات الفرقعة التي سمعها الباحثون في مسار الشعاع هي من أبناء عمومة الرعد.

لكن مسارات الألياف منخفضة الكثافة هذه ليست ما يحتاجه الفريق لتوجيه الليزر. أراد الباحثون نواة عالية الكثافة (تشبه كابلات الألياف الضوئية للإنترنت). لذلك قاموا بإنشاء ترتيب للعديد من الأنفاق منخفضة الكثافة التي تنتشر بشكل طبيعي وتتقارب في خندق حول قلب كثيف من الهواء غير المضطرب.

استخدمت تجارب 2014 نظامًا من أربعة خيوط ليزر فقط ، لكن التجربة الجديدة استخدمت نظام ليزر مبتكرًا يقيس تلقائيًا عدد الخيوط اعتمادًا على قوة الليزر ؛ تنتشر الألياف بشكل طبيعي حول الحلقة.

أظهر الباحثون أن هذه التقنية يمكن أن تمد طول الدليل الموجي الجوي ، مما يزيد من القوة التي يمكن أن توفرها للهدف في نهاية الرواق. في نهاية حركة الليزر ، يحتفظ الدليل الموجي بحوالي 20٪ من الضوء الذي كان من الممكن أن يضيع من المنطقة المستهدفة. كانت المسافة أكبر بحوالي 60 مرة من سجلها من التجارب السابقة. تشير حسابات الفريق إلى أنهم لم يقتربوا بعد من الحد النظري للتقنية ، ويقولون أنه يمكن بسهولة تحقيق كفاءات توجيهية عالية جدًا بهذه الطريقة في المستقبل.

“تظهر نتائجنا أنه إذا كان لدينا مدخل طويل ، فيمكننا ضبط الليزر إلى دليل موجي أطول” ، كما يقول أندرو تارتارو ، طالب الدراسات العليا في الفيزياء في جامعة UMT ، والذي عمل في المشروع وهو مؤلف على الورقة. “لكن لدينا دليلنا إلى الرواق الذي لدينا.”

أجرى الباحثون أيضًا تجارب قصيرة بطول ثمانية أمتار في المختبر ، حيث استكشفوا الفيزياء التي تلعب دورًا في العملية بمزيد من التفصيل. بالنسبة للاختبار القصير ، تمكنوا من توصيل 60٪ من الضوء المفقود إلى هدفهم.

تم استخدام صوت فرقعة تكوين البلازما عمليًا في تجاربهم. بصرف النظر عن الإشارة إلى مكان الشعاع ، فقد زود الباحثين أيضًا بالبيانات. استخدموا مصفوفة من 64 ميكروفونًا لقياس طول الدليل الموجي ومدى قوة الدليل الموجي على طوله (كلما زادت الطاقة التي تدخل في بناء الدليل الموجي ، كلما ارتفع صوت الفرقعة).

وجد الفريق أن الدليل الموجي استمر حوالي مائة من الثانية قبل أن يتبدد في الهواء. لكن انفجارات الليزر التي يرسلها الباحثون من خلالها تستغرق سنوات: في ذلك الوقت يمكن للضوء أن يسافر أكثر من 3000 كيلومتر.

بناءً على ما تعلمه الباحثون من تجاربهم وعمليات المحاكاة ، يخطط الفريق لإجراء تجارب لتحسين طول وكفاءة أدلة موجات الرياح الخاصة بهم. إنهم يخططون لتوجيه ألوان مختلفة من الضوء والتحقيق فيما إذا كان معدل تكرار النبض الخيطي السريع يمكن أن يخلق دليلاً موجيًا لنقل شعاع مستمر عالي الطاقة.

يقول ميلتشبيرج: “إن تحقيق مقياس 50 مترًا لموجهات الرياح الموجية يشعل الطريق لأدلة الموجات الأطول والعديد من التطبيقات الأخرى”. “استنادًا إلى أجهزة الليزر الجديدة التي نحن على وشك الحصول عليها قريبًا ، لدينا وصفة لتوسيع أدلةنا إلى كيلومتر واحد وما بعده.”