Experimento láser "peligrosamente poderoso" establece un récord en el pasillo de la universidad

Por University of Maryland13 de febrero de 2023

Se envía un láser por un pasillo de la UMD en un experimento para acorralar la luz mientras realiza un viaje de 45 metros. Crédito: Laboratorio de Interacciones Láser-Materia Intensas, UMD

No en todas las universidades se envían pulsos de láser lo suficientemente potentes como para quemar papel y piel en un pasillo. Pero eso es lo que sucedió en el Centro de Investigación de Energía de la UMD, un edificio de aspecto anodino en la esquina noreste del campus. Si visitas el utilitario salón blanco y gris ahora, se parece a cualquier otro salón universitario, siempre y cuando no mires detrás de un tablero de corcho y veas la placa de metal que cubre un agujero en la pared.

Pero durante un puñado de noches en 2021, el profesor de física de la UMD Howard Milchberg y sus colegas transformaron el pasillo en un laboratorio: las superficies brillantes de las puertas y una fuente de agua se cubrieron para evitar reflejos potencialmente cegadores; los pasillos de conexión estaban bloqueados con letreros, cinta de precaución y cortinas negras especiales que absorben el láser; y el equipo científico y los cables habitaban el espacio para caminar normalmente abierto.

Mientras los miembros del equipo realizaban su trabajo, un chasquido advirtió sobre el camino peligrosamente poderoso que el láser atravesaba el pasillo. A veces, el viaje del rayo terminaba en un bloque de cerámica blanca, llenando el aire con estallidos más fuertes y un sabor metálico. Cada noche, un investigador se sentaba solo frente a una computadora en el laboratorio adyacente con un walkie-talkie y realizaba los ajustes solicitados al láser.

De izquierda a derecha: Eric Rosenthal, físico del Laboratorio de Investigación Naval de EE. UU.; Anthony Valenzuela, físico del Laboratorio de Investigación del Ejército de EE. UU.; y Andrew Goffin, un estudiante graduado de ingeniería eléctrica e informática de la UMD, alinean la óptica en un ojo de buey en la pared para enviar el rayo láser desde el laboratorio por el pasillo. Crédito: Laboratorio de Interacciones Láser-Materia Intensas, UMD

Sus esfuerzos fueron transfigurar temporalmente el aire delgado en un cable de fibra óptica, o, más específicamente, una guía de ondas de aire, que guiaría la luz por decenas de metros. Al igual que uno de los cables de Internet de fibra óptica que proporcionan autopistas eficientes para flujos de datos ópticos, una guía de ondas de aire prescribe un camino para la luz. Estas guías de ondas de aire tienen muchas aplicaciones potenciales relacionadas con la recolección o transmisión de luz, como la detección de luz emitida por la contaminación atmosférica, la comunicación láser de largo alcance o incluso el armamento láser. Con una guía de ondas de aire, no hay necesidad de desenrollar un cable sólido y preocuparse por las restricciones de la gravedad; en cambio, el cable se forma rápidamente sin soporte en el aire. En un artículo aceptado para su publicación en la revista Physical Review X, el equipo describió cómo establecieron un récord guiando la luz en guías de ondas de aire de 45 metros de largo y explicaron la física detrás de su método.

Los investigadores llevaron a cabo su alquimia atmosférica sin precedentes durante la noche para evitar incomodar (o zapping) a colegas o estudiantes desprevenidos durante la jornada laboral. Tenían que obtener la aprobación de sus procedimientos de seguridad antes de que pudieran reutilizar el pasillo.

"Fue una experiencia realmente única", dice Andrew Goffin, estudiante graduado de ingeniería eléctrica e informática de la UMD que trabajó en el proyecto y es autor principal del artículo de revista resultante. "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".

Distribuciones de la luz láser recogida tras el recorrido del pasillo sin guía de ondas (izquierda) y con guía de ondas (derecha). Crédito: Laboratorio de Interacciones Láser-Materia Intensas, UMD

Todo el trabajo consistía en ver hasta dónde podían llevar la técnica. Anteriormente, el laboratorio de Milchberg demostró que un método similar funcionaba para distancias de menos de un metro. Pero los investigadores encontraron un obstáculo al extender sus experimentos a decenas de metros: su laboratorio es demasiado pequeño y mover el láser no es práctico. Así, un hueco en la pared y un pasillo se convierten en espacio de laboratorio.

"Hubo grandes desafíos: la enorme ampliación a 50 metros nos obligó a reconsiderar la física fundamental de la generación de guías de ondas de aire, además de querer enviar un láser de alta potencia por un pasillo público de 50 metros de largo naturalmente desencadena importantes problemas de seguridad, dice Milchberg. "Afortunadamente, obtuvimos una excelente cooperación tanto de la física como de la oficina de seguridad ambiental de Maryland".

Sin cables de fibra óptica ni guías de ondas, un haz de luz, ya sea de un láser o de una linterna, se expandirá continuamente a medida que viaja. Si se permite que se propague sin control, la intensidad de un rayo puede caer a niveles inútiles. Ya sea que esté tratando de recrear un blaster láser de ciencia ficción o de detectar niveles de contaminantes en la atmósfera llenándolos de energía con un láser y capturando la luz liberada, vale la pena garantizar una entrega eficiente y concentrada de la luz.

La solución potencial de Milchberg para este desafío de mantener la luz confinada es luz adicional, en forma de pulsos de láser ultracortos. Este proyecto se basó en un trabajo anterior de 2014 en el que su laboratorio demostró que podían usar tales pulsos de láser para esculpir guías de ondas en el aire.

The short pulse technique utilizes the ability of a laser to provide such a high intensity along a path, called a filament, that it creates a plasmaPlasma is one of the four fundamental states of matter, along with solid, liquid, and gas. It is an ionized gas consisting of positive ions and free electrons. It was first described by chemist Irving Langmuir in the 1920s." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> plasma—una fase de la materia donde los electrones han sido arrancados de sus átomos. Este camino energético calienta el aire, por lo que se expande y deja un camino de aire de baja densidad en la estela del láser. Este proceso se asemeja a una versión diminuta de relámpagos y truenos donde la energía del relámpago convierte el aire en un plasma que expande explosivamente el aire, creando el trueno; los chasquidos que escucharon los investigadores a lo largo de la trayectoria del haz eran los pequeños primos del trueno.

Pero estas rutas de filamentos de baja densidad por sí solas no eran lo que el equipo necesitaba para guiar un láser. Los investigadores querían un núcleo de alta densidad (igual que los cables de fibra óptica de Internet). Entonces, crearon una disposición de múltiples túneles de baja densidad que naturalmente se difunden y se fusionan en un foso que rodea un núcleo más denso de aire imperturbable.

Los experimentos de 2014 utilizaron una disposición establecida de solo cuatro filamentos láser, pero el nuevo experimento aprovechó una configuración láser novedosa que aumenta automáticamente la cantidad de filamentos según la energía del láser; los filamentos se distribuyen naturalmente alrededor de un anillo.

Los investigadores demostraron que la técnica podía extender la longitud de la guía de ondas de aire, aumentando la potencia que podían entregar a un objetivo al final del pasillo. Al final del viaje del láser, la guía de ondas había retenido alrededor del 20% de la luz que de otro modo se habría perdido en su área objetivo. La distancia fue unas 60 veces mayor que su registro de experimentos anteriores. Los cálculos del equipo sugieren que aún no están cerca del límite teórico de la técnica, y dicen que en el futuro deberían lograrse fácilmente eficiencias de guía mucho más altas con el método.

"Si tuviéramos un pasillo más largo, nuestros resultados muestran que podríamos haber ajustado el láser para una guía de ondas más larga", dice Andrew Tartaro, un estudiante graduado de física de la UMD que trabajó en el proyecto y es uno de los autores del artículo. "Pero tenemos nuestra guía adecuada para el pasillo que tenemos".

Los investigadores también realizaron pruebas más cortas de ocho metros en el laboratorio donde investigaron la física que se desarrolla en el proceso con más detalle. Para la prueba más corta, lograron entregar alrededor del 60% de la luz potencialmente perdida a su objetivo.

El sonido de estallido de la formación de plasma se puso en práctica en sus pruebas. Además de ser una indicación de dónde estaba el rayo, también proporcionó datos a los investigadores. Usaron una línea de 64 micrófonos para medir la longitud de la guía de ondas y qué tan fuerte era la guía de ondas a lo largo de su longitud (más energía para hacer la guía de ondas se traduce en un estallido más fuerte).

El equipo descubrió que la guía de ondas duró solo centésimas de segundo antes de disiparse en el aire. Pero eso son eones para las ráfagas de láser que los investigadores enviaban a través de él: la luz puede atravesar más de 3.000 km en ese tiempo.

Con base en lo que los investigadores aprendieron de sus experimentos y simulaciones, el equipo está planeando experimentos para mejorar aún más la longitud y la eficiencia de sus guías de ondas de aire. También planean guiar diferentes colores de luz e investigar si una tasa de repetición de pulso de filamento más rápida puede producir una guía de ondas para canalizar un haz continuo de alta potencia.

"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", dice Milchberg. "Basándonos en los nuevos láseres que pronto obtendremos, tenemos la receta para extender nuestras guías a un kilómetro y más".

Referencia: "Guiado óptico en guías de ondas de aire a escala de 50 metros" por A. Goffin, I. Larkin, A. Tartaro, A. Schweinsberg, A. Valenzuela, E. W. Rosenthal y H. M. Milchberg, 23 de enero de 2023, Physical Review X.DOI : 10.1103/PhysRevX.13.011006