薄い空気で作られた光ファイバーの連続動作を実験で実証

2023 年 5 月 3 日

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メリーランド大学著

メリーランド大学 (UMD) の研究者らは、薄い空気でできた連続動作する光ファイバーを実証しました。

最も一般的な光ファイバーは、長距離にわたる光をしっかりと閉じ込めるガラスのストランドです。 ただし、これらのファイバーは、ガラスの損傷やファイバーからのレーザーエネルギーの散乱のため、非常に高出力のレーザービームの導波には適していません。 さらに、物理的な支持構造が必要であるということは、光信号の送信または収集のかなり前にグラスファイバーを敷設する必要があることを意味します。

UMDの物理学科、電気・コンピュータ工学科、および電子・応用物理研究所のハワード・ミルヒバーグ氏と彼のグループは、補助超短レーザーパルスを使用して空気自体に光ファイバー導波路を彫刻することにより、両方の限界を克服する光導波方法を実証した。

これらの短いパルスは、「フィラメント」と呼ばれる高強度光構造のリングを形成し、空気分子を加熱して、中央の平穏な領域を取り囲む低密度加熱空気の拡張リングを形成します。 これはまさに光ファイバーの屈折率構造です。 空気自体をファイバーとして使用すると、非常に高い平均パワーを誘導できる可能性があります。 また、汚染物質や放射線源を検出するための遠隔光信号を収集する場合、たとえば、空気導波管を任意に「巻き戻し」て、光の速度で任意の方向に向けることができます。

1月にPhysical Review Xに掲載された実験で、大学院生のアンドリュー・ゴフィンとミルヒバーグのグループの同僚らは、この技術が周囲の空気による冷却で消散するまで数十ミリ秒持続する長さ50メートルの空気導波路を形成できることを示した。

わずか 1 ワットの平均レーザー出力を使用して生成されたこれらの導波路は、理論的にはメガワットの平均出力レーザー ビームを導くことができ、指向性エネルギーの優れた候補となります。 導波管方式は、1 キロメートル以上まで直接拡張可能です。 ただし、その研究における導波管生成レーザーは、100 ミリ秒ごとにパルスを発射し (繰り返し速度 10 Hz)、30 ミリ秒にわたる冷却放散を伴うため、空気導波管が存在しない場合、ショット間に 70 ミリ秒が残ります。 これは、連続波レーザーを誘導したり、連続光信号を収集したりする際の障害となります。

Optica の新しい覚書で、Andrew Goffin、Andrew Tartaro、Milchberg は、導波管生成パルスの繰り返し率を 1000 Hz (ミリ秒ごとに 1 パルス) まで増加させることで、空気導波管を加熱して深くすることによって継続的に維持できることを示しています。導波管は周囲の空気よりも速く冷却できます。 その結果、注入された連続波レーザービームを導くことができる連続的に動作する空気導波路が得られます。 繰り返し発生により導波路が深くなるため、最も高い繰り返し率で導波光の閉じ込め効率が3倍に向上します。

連続波光ガイドは空気導波路の有用性を大幅に向上させます。これにより、伝送できる最大平均レーザー出力が増加し、リモート光信号の連続収集に使用できるガイド構造が維持されます。 また、キロメートルスケールで長い導波管は幅が広いため、冷却が遅くなり、導波管を維持するには 1 kHz を大幅に下回る繰り返し率が必要になります。 このより緩やかな要件により、既存のレーザー技術と適度な出力レベルで、キロメートル以上の長距離にわたる連続空気導波が容易に達成可能になります。

「導波路を生成するための適切なレーザー システムがあれば、長距離の連続導波が簡単に実行できるはずです」とゴフィン氏は述べています。 「それができれば、高出力の連続レーザービームを送信し、数マイル離れた場所から汚染物質を検出できるようになるのは時間の問題です。」

詳しくは： A. Goffin et al、準定常状態空気導波路、Optica (2023)。 DOI: 10.1364/OPTICA.487292

雑誌情報:フィジカルレビューX、オプティカ

メリーランド大学提供