「危険なほど強力な」レーザー実験が大学の廊下で記録を樹立

メリーランド大学より 2023 年 2 月 13 日

実験では、レーザーが UMD 廊下に送られ、45 メートル移動しながら光を囲い込みます。 クレジット: UMD、Intense Laser-Matter Interactions Lab

紙や皮膚を焦がすほど強力なレーザーパルスが廊下に照射されるのは、どの大学でも行われるわけではありません。 しかし、それはUMDのエネルギー研究施設、キャンパスの北東の隅にある目立たない外観の建物で起こったことです。 今、実用的な白とグレーのホールを訪れると、コルク板の後ろを覗いて壁の穴を塞いでいる金属板を見つけない限り、他の大学のホールと同じように見えます。

しかし、2021年の数晩の間、UMD物理学のハワード・ミルヒバーグ教授とその同僚たちは廊下を実験室に変えた。ドアと噴水の光沢のある表面は、目がくらむ可能性のある反射を避けるために覆われていた。 連絡通路は標識、注意テープ、レーザーを吸収する特殊な黒いカーテンで封鎖された。 科学機器やケーブルは、通常はオープンな歩行空間に設置されています。

チームのメンバーが作業を進めていると、パチパチという音がホール内にレーザーが危険なほど強力に照射されることを警告しました。 場合によっては、ビームの旅は白いセラミックのブロックで終わり、より大きなポップ音と金属的な響きで空気を満たします。 毎晩、研究者はトランシーバーを使って隣接する研究室のコンピューターの前に一人で座り、要求されたレーザーの調整を行っていました。

左から右へ: エリック・ローゼンタール、米国海軍研究所の物理学者。 アンソニー・バレンズエラ、米陸軍研究所の物理学者。 UMD の電気工学およびコンピューター工学の大学院生である Andrew Goffin は、研究室から廊下にレーザー ビームを送信するために、壁の舷窓に光学系の位置を合わせます。 クレジット: UMD、Intense Laser-Matter Interactions Lab

彼らの取り組みは、薄い空気を光ファイバー ケーブル、より具体的には空気導波管に一時的に変換し、光を数十メートルにわたって導くことでした。 光データのストリームに効率的なハイウェイを提供する光ファイバー インターネット ケーブルの 1 つと同様に、空気導波路は光の経路を規定します。 これらの空気導波管には、大気汚染、長距離レーザー通信、さらにはレーザー兵器によって発せられる光の検出など、光の収集または送信に関連する多くの潜在的な用途があります。 エア ウェーブガイドを使用すると、ソリッド ケーブルのスプールをほどいたり、重力の制約を気にしたりする必要がありません。 その代わりに、ケーブルは空中で支持されていない状態で急速に形成されます。 ジャーナル「Physical Review X」への掲載が受理された論文の中で、チームは長さ 45 メートルの空気導波管に光を導くことでどのように記録を打ち立てたかを説明し、その方法の背後にある物理学を説明しました。

研究者らは、勤務中に同僚や無防備な学生に迷惑をかける（ザッピングする）ことを避けるため、記録的な大気錬金術を夜間に実施した。 廊下を再利用する前に、安全手順の承認を得る必要がありました。

「本当にユニークな経験でした」と、このプロジェクトに取り組み、結果として得られたジャーナル記事の筆頭著者でもある UMD 電気・コンピュータ工学大学院生のアンドリュー・ゴフィン氏は語ります。 「研究室の外でレーザーを発射するのには、目の安全のためにカーテンをかけるなど、研究室にいるときはやらなくてもよい作業がたくさんあります。本当に疲れました。」

導波管なし（左）と導波管あり（右）の廊下移動後に収集されたレーザー光の分布。 クレジット: UMD、Intense Laser-Matter Interactions Lab

すべての作業は、テクニックをどこまで押し進めることができるかを確認することでした。 以前、ミルヒバーグの研究室は、同様の方法が 1 メートル未満の距離でも機能することを実証しました。 しかし、研究者らは実験を数十メートルに拡張する際に障害にぶつかりました。研究室が小さすぎて、レーザーを動かすのは非現実的です。 こうして、壁の穴と廊下が実験室になります。

「大きな課題がありました。50 メートルまでの巨大なスケールアップにより、空気導波路生成の基本的な物理学を再考する必要が生じました。さらに、長さ 50 メートルの公共の廊下に高出力レーザーを送り込みたいと考えたため、当然のことながら重大な安全上の問題が発生しました。 」とミルヒバーグは言う。 「幸いなことに、物理学とメリーランド州環境安全局の両方から素晴らしい協力を得られました。」

光ファイバー ケーブルや導波管がなければ、レーザーであれ懐中電灯であれ、光ビームは進行中に拡大し続けます。 野放しに拡散すると、ビームの強度が役に立たないレベルに低下する可能性があります。 SF のレーザーブラスターを再現しようとしている場合でも、レーザーでエネルギーを満載して大気中の汚染物質のレベルを検出しようとしている場合でも、光を効率的かつ集中的に供給することが重要です。

光を閉じ込め続けるというこの課題に対するミルヒバーグの考えられる解決策は、超短レーザーパルスの形で光を追加することです。 このプロジェクトは、彼の研究室がそのようなレーザーパルスを使用して空中に導波路を彫刻できることを実証した2014年の以前の研究に基づいて構築されました。

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"}]">プラズマ - 電子が原子から引き離された物質の相。 このエネルギーの経路は空気を加熱するため、空気が膨張し、レーザーの後流に低密度の空気の経路が残ります。 このプロセスは、稲妻のエネルギーが空気をプラズマに変え、爆発的に空気を膨張させ、雷鳴を生み出す、照明と雷の小さなバージョンに似ています。 研究者たちがビーム経路に沿って聞いたパチパチという音は、雷の小さないとこでした。

しかし、これらの低密度フィラメントの経路だけでは、チームがレーザーを誘導するために必要なものではありませんでした。 研究者らは、高密度のコア (インターネットの光ファイバー ケーブルと同じ) を望んでいました。 そこで彼らは、自然に拡散して、乱れのない空気のより高密度な核を囲む堀に合流する複数の低密度トンネルの配置を作成しました。

2014年の実験では、わずか4本のレーザーフィラメントの設定配置が使用されましたが、新しい実験では、レーザーエネルギーに応じてフィラメントの数を自動的にスケールアップする新しいレーザーセットアップが利用されました。 フィラメントは自然にリングの周りに分散します。

研究者らは、この技術により空気導波管の長さを延長し、廊下の端にあるターゲットに供給できる電力を増加できることを示した。 レーザーの旅の終わりに、導波管は、そうでなければターゲット領域から失われるであろう光の約20%を保持していました。 その距離は、これまでの実験の記録より約60倍遠かった。 研究チームの計算は、この技術の理論的限界にはまだ近づいていないことを示唆しており、将来的にはこの方法を使えばさらに高い誘導効率が容易に達成できるはずだと述べている。

「もし廊下が長かったら、より長い導波管に合わせてレーザーを調整できたであろうという結果が得られました」と、このプロジェクトに携わったUMD物理学の大学院生で論文の著者でもあるアンドリュー・タルタロ氏は言う。 「しかし、私たちは廊下にぴったりのガイドを見つけました。」

研究者らはまた、実験室で8メートルの短いテストを実施し、プロセスで起こる物理現象をより詳細に調査した。 より短いテストでは、失われた可能性のある光の約 60% をターゲットに届けることに成功しました。

プラズマ形成時のパチパチ音を実験で実用化した。 ビームがどこにあったかを示すだけでなく、研究者にデータも提供しました。 彼らは、64 個のマイクのラインを使用して、導波管の長さと、その長さに沿った導波管の強度を測定しました (導波管を作るためにより多くのエネルギーが投入され、より大きなポップ音に変換されます)。

研究チームは、導波路がわずか100分の1秒しか持続せず、その後、空中に消え去ることを発見した。 しかし、それは研究者たちがレーザーバーストを照射するのに長い時間であり、光はその間に 3,000 km 以上を移動することができます。

研究者らが実験やシミュレーションから学んだことに基づいて、チームは空気導波管の長さと効率をさらに改善するための実験を計画している。 彼らはまた、さまざまな色の光を誘導し、より速いフィラメントパルス繰り返し速度によって連続高出力ビームを導くための導波路を生成できるかどうかを調査することも計画している。

「空気導波管が 50 メートルのスケールに達することで、文字通りさらに長い導波管と多くの用途への道が開かれます」とミルヒバーグ氏は言います。 「間もなく入手される新しいレーザーに基づいて、ガイドを 1 キロメートル以上に延長するレシピがあります。」

参考文献：「Optical guiding in 50-meter-scale air waveguides」、A. Goffin、I. Larkin、A. Tartaro、A. Schweinsberg、A. Valenzuela、E. W. Rosenthal、H. M. Milchberg 著、2023 年 1 月 23 日、Physical Review X.DOI : 10.1103/PhysRevX.13.011006