メリーランド州の実験で、薄い空気で作られた光ファイバーの連続動作を実証

メリーランド大学の研究者らは、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。

ハワード・ミルヒバーグと部門の彼のグループ。 物理学、ECE、およびメリーランド大学の電子応用物理研究所は、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、両方の制限を克服する光ガイド方法を実証しました。 これらの短いパルスは、「フィラメント」と呼ばれる高強度の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の加熱された空気の拡張された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 [Physical Review X 13, 011006 (2023)] に掲載された実験で、大学院生の Andrew Goffin とミルヒバーグのグループの同僚は、この技術が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ました。周囲の空気による冷却が消えるまで。 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 [Optica 10, 505 (2023)] の中で、Andrew Goffin、Andrew Tartaro、Milchberg は、導波路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、空気が導波路は、周囲の空気が冷却するよりも速く導波路を加熱して深くすることによって継続的に維持されます。 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、長距離の連続ガイドが簡単に実行できるはずです。」とゴフィン氏は言います。「それができたら、高出力の連続レーザー ビームを送信して汚染物質を検出するのは時間の問題です。何マイルも離れたところから。」

出典: メリーランド大学