Donut bricht Rekorde bei Laserstrahlen

Donut bricht Rekorde bei Laserstrahlen
Donut bricht Rekorde bei Laserstrahlen - Forscher verwendeten Laserpulse mit einem Donut-förmigen Profil, um einen Luftwellenleiter zu erzeugen. Die Pulse bilden zunächst dünne Filamente (rot), die die Luft erwärmen und schließlich eine Beschichtung mit geringer Dichte (orange) bilden. Durch diesen Wellenleiter können Forscher einen zweiten Laserpuls (grün) senden. - APS/A. Steinbrecher

Licht kann in einem luftgeformten Wellenleiter mehr als 50 Meter zurücklegen; das ist 60-mal weiter als frühere Luftwellenleiter-Designs.

Herkömmliche optische Wellenleiter enthalten einen Kern, der von einer Beschichtung mit niedrigerem Brechungsindex umgeben ist, wie optische Fasern und planare Wellenleiter. Die Totalreflexion an der Kern-Mantel-Barriere begrenzt das Licht effektiv innerhalb des Kerns. Obwohl optische Fasern Licht über Entfernungen von Hunderten von Kilometern transportieren können, gibt es einige Anwendungen, wie z. B. Hochleistungsübertragung und atmosphärische Überwachung, bei denen die Verwendung von Fasern nicht geeignet ist. Es ist nicht möglich, Licht direkt durch die Luft zu schicken, da der Strahl durch Beugung gestreut wird.

Eine mögliche Lösung besteht darin, luftgetragene Wellenleiter mit Laserimpulsen zu "formen", die zu einer Beschichtung mit geringer Dichte führen, die einen unveränderten Luftkern in der Mitte umgibt. Andrew Goffin von der University of Maryland, College Park, und seine Kollegen entwickelten einen 45 Meter langen Wellenleiter in der Luft, indem sie eine neue Technik mit Donut-förmigen Strahlen verwendeten und ihren bisherigen Rekord 60 Mal brachen. Diese Errungenschaft könnte es ermöglichen, leistungsstarke Laserpulse an entfernte Orte zu liefern, was eine Reihe von Möglichkeiten für Mikrowellen-Routing, Fernerkundung und Blitzsteuerung eröffnet.

Ein Luftwellenleiter funktioniert, indem er einen Femtosekunden-Laserimpuls abfeuert, der einen temporären Luftkanal erzeugt, durch den der nächste „Sonden“-Impuls passieren kann. Durch die Erwärmung der Luftmoleküle entsteht beim ersten Aufprall die notwendige Brechungsindex-Ungleichheit zwischen Kern und Beschichtung. Die erwärmte Luft dehnt sich aus, so dass die Dichte der Beschichtung gegenüber der Umgebungsluft verringert wird. Der resultierende Luftwellenleiter kann das Sondensignal mehrere Millisekunden lang aufrechterhalten.

Fraglich ist jedoch, wie der erste Laserpuls die Sonde ohne Streuung vorschieben konnte. Die Lösung liegt in einem nichtlinearen Prozess namens Filamentation, der entsteht, wenn zwei gegensätzliche Lufteffekte ausgeglichen werden. Über eine viel größere Entfernung, als es die Beugung unter linearen Ausbreitungsbedingungen zulässt, kann die Filamentbildung ein Laserfeld eng begrenzen.

Leistung in Laserfilamenten

Die durchschnittliche Leistung im Filamentkern ist jedoch nur dadurch begrenzt, dass ein Laserfilament an seinem Scheitel nicht breiter als 200 m und dichter als 1014 W/cm2 sein darf. Dadurch werden die von den Femtosekunden-Laserpulsen erzeugten Filamente inaktiviert, um selbst eine hohe Leistung bereitzustellen. Wenn die Filamente jedoch zur Herstellung eines Luftwellenleiters verwendet werden, können sie einen Kanal für starke Lichtstrahlen bilden.

2014 gelang Goffin et al. die erste Demonstration des Luftwellenleiter-Prinzips. In dieser ersten Studie benutzte das Team einen roten Laserstrahl, um durch eine Maske mit vier Segmenten zu gelangen, um vier quadratische Laserfilamente zu erzeugen. Ein „Lichtzaun“ aus diesen Filamenten enthielt Licht in seiner Mitte.

Mit diesem Luftwellenleiter sendeten die Wissenschaftler einen 70-mJ-Impuls aus grünem Licht mit einer Länge von etwa 110 cm in die Luft.

Das Team hat diese bisherige Arbeit nun bemerkenswert erfolgreich erweitert. Die geringe Anzahl von Filamenten im Lichtzaun, die die Breite des Wellenleiters und die Stärke des Dichteunterschieds zwischen dem Kern und dem Mantel einschränkt, verursachte die sehr kurze Länge des ersten Luftwellenleiters der Gruppe. Naiverweise ist es denkbar, ihre Anzahl zu erhöhen, indem man eine Maske mit mehr Segmenten verwendet, um mehr Filamente auszusäen. In Wirklichkeit ist es schwierig zu garantieren, dass die Segmente lokal gleichförmige Phasenfronten und gleichförmig erregte Strahlkeulen erzeugen.

Die Autoren betrachten auch einen Donut-förmigen Strahl, oder genauer gesagt, einen glatten Laguerre-Gaußschen LG01-Modus. Sie erzeugen diese Mode, indem sie Laserlicht mit einer spiralförmigen Phasenplatte auf einen Ring mit mehreren Millimetern Durchmesser fokussieren. Rund um den Donut-Ring funkelt fokussiertes Licht gleichmäßig verteilte, zufällige Filamente. Wenn sich der lokale Laserfluss nicht ändert, führt die Verwendung eines größeren Strahls zwangsläufig zu mehr Filamenten und bedeckt den gesamten Wellenleiterkreis.

Die Autoren demonstrierten den Luftwellenleiter über eine Distanz von 45 m in einem Korridor neben ihrem Labor. Als Wellenleitergenerator wurde ein 800 fs Laserpuls mit einer Wellenlänge von 120 nm und einer Gesamtenergie von 300 mJ verwendet.

Dieser Impuls bildete nach dem Drucken mit dem LG01-Donut-Mod etwa 5,6 Filamente um einen Ring mit 30 mm Durchmesser. Durch den entstandenen Wellenleiter schickten die Wissenschaftler einen 532 ns langen Sondenpuls mit einer Wellenlänge von 1 nm und einer Gesamtenergie von 7 mJ. Laut einem Detektor, der die Lichtmenge misst, die über verschiedene Entfernungen übertragen wird, war die Lichtmenge, die der Wellenleiter lieferte, etwa 20 % höher als ohne. Außerdem haben Wissenschaftler gezeigt, dass der Luftwellenleiter eine lange Lebensdauer von mehreren zehn Millisekunden hat.

Diese Wellenleitertechnik hat jedoch einige Nachteile, wie z. B. einen erheblichen Ausbreitungsverlust, ein schwaches Modenprofil des gerichteten Strahls und hohe Energiekosten zum Erzeugen des Luftwellenleiters.

Die Forscher müssen fortschrittlichere Lichtformungsmethoden entwickeln, um die Leistung des Schemas zu verbessern. Wenn der ursprüngliche Ringstrahl homogener gemacht werden könnte, sollten viele Filamente deterministischer wachsen. Dies führt zu stabileren und wiederholbareren Luftwellenleitern.

In Zukunft stellen sich Wissenschaftler Luftwellenleiter vor, die Hochleistungslicht über eine Entfernung von einem Kilometer oder mehr übertragen könnten. Ihren Berechnungen zufolge wäre ein hochenergetischer (bis zu 40 J) LG80-Impuls erforderlich, um eine Ringabdeckung von 2 bis 01 Filamenten zu unterstützen, um eine Übertragung im Kilometerbereich zu erreichen. Dieser Luftwellenleiter bietet eine Vielzahl nützlicher Anwendungen, die eine effiziente Laserenergiezufuhr zu entfernten Regionen der Atmosphäre erfordern.

Eine davon ist die Detektion gasförmiger Schadstoffe mit Hilfe von UV-Licht, das von einem Luftwellenleiter durch das Medium geleitet wird. Das von den angeregten Schadstoffen emittierte Licht kann dann spektroskopisch untersucht werden. Mit einem ähnlichen Verfahren ist die Ferndetektion von radioaktivem Material möglich. Blitzschutz durch die Schaffung eines Plasmakanals, der Blitze zur Erde leiten kann, ist eine weitere potenzielle Anwendung, die kürzlich gezeigt wurde.

Quelle: physical.aps.org/articles/v16/11

 

 

Günceleme: 24/01/2023 12:40

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