马里兰大学走廊近50米激光实验创纪录

并不是每所大学都会将足以燃烧纸张和皮肤的激光脉冲发射到走廊上。但这就是UMD的能源研究设施发生的事情，这是一座位于校园东北角的不起眼的建筑。如果你现在参观实用的白色和灰色大厅，它看起来就像任何其他大学大厅一样-只要你没有在软木板后面达到顶峰并发现覆盖墙上孔的金属板。

但在2021年的几个晚上，UMD物理学教授HowardMilchberg和他的同事们将走廊变成了实验室：门和喷泉的闪亮表面被遮盖起来，以避免潜在的致盲反射;连接的走廊被标志、警告胶带和特殊的激光吸收黑色窗帘封锁;科学设备和电缆位于通常开放的步行空间内。

当团队成员开始他们的工作时，一声噼啪声警告激光在大厅中的危险路径。有时，光束的旅程会在白色陶瓷块处结束，空气中弥漫着更响亮的爆裂声和金属质感。每天晚上，一名研究人员独自坐在相邻实验室的电脑前，拿着对讲机对激光器进行要求的调整。

他们的努力是暂时将稀薄的空气转变为光纤电缆——或者更具体地说，是空气波导——可以将光引导数十米。就像为光数据流提供高效高速公路的光纤互联网电缆之一，空气波导规定了光的路径。这些空气波导具有许多与收集或传输光相关的潜在应用，例如检测大气污染发出的光、远程激光通信甚至激光武器。使用空气波导，无需解开实心电缆，也无需担心重力的约束;取而代之的是，电缆在空中不受支撑地迅速形成。在接受的论文中为了发表在PhysicalReviewX杂志上，该团队描述了他们如何通过在45米长的空气波导中引导光来创造记录，并解释了他们方法背后的物理学原理。

研究人员在晚上进行了创纪录的大气炼金术，以避免在工作日给同事或毫无戒心的学生带来不便(或干扰)。他们必须先获得安全程序的批准，然后才能重新利用走廊。

“这是一次非常独特的体验，”从事该项目的UMD电气和计算机工程研究生AndrewGoffin说，他是最终期刊文章的主要作者。“在实验室外发射激光有很多工作是你在实验室时不必处理的——比如为眼睛安全拉上窗帘。这绝对很累人。”

所有的工作都是为了看看他们能把这项技术推进到什么程度。此前Milchberg的实验室证明，类似的方法适用于小于一米的距离。但是研究人员在将他们的实验扩展到几十米时遇到了障碍：他们的实验室太小而且移动激光是不切实际的。因此，墙上的一个洞和一条走廊变成了实验室空间。

“存在重大挑战：50米的巨大规模迫使我们重新考虑空气波导生成的基础物理学，再加上想要将高功率激光发射到50米长的公共走廊自然会引发重大安全问题，“米尔奇伯格说。“幸运的是，我们得到了物理学和马里兰州环境安全办公室的出色合作!”

在没有光纤电缆或波导的情况下，光束——无论是来自激光还是手电筒——都会在传播过程中不断扩大。如果允许不受限制地传播，光束的强度可能会下降到无用的水平。无论您是试图重建科幻小说中的激光发射器，还是通过用激光泵送充满能量的污染物并捕获释放的光来检测大气中的污染物水平，确保高效、集中的光传输都是值得的。

Milchberg对于保持光线受限这一挑战的潜在解决方案是额外的光线——以超短激光脉冲的形式。该项目建立在2014年之前的工作之上，他的实验室在该工作中展示了他们可以使用此类激光脉冲在空气中塑造波导。

在没有波导(左)和有波导(右)的走廊旅程后收集的激光分布。图片来源：UMD强激光物质相互作用实验室

短脉冲技术利用激光的能力沿着称为灯丝的路径提供如此高的强度，从而产生等离子体——电子从原子中脱离出来的物质相。这条能量路径加热空气，因此它膨胀并在激光尾流中留下一条低密度空气路径。这个过程类似于闪电和雷声的微小版本，闪电的能量将空气变成等离子体，使空气爆炸性地膨胀，从而产生雷声;研究人员沿着光束路径听到的爆裂声是雷声的微小近亲。

但这些低密度灯丝路径本身并不是团队引导激光所需要的。研究人员想要一个高密度核心(与互联网光纤电缆相同)。因此，他们创造了一个由多个低密度隧道组成的排列，这些隧道自然地扩散并合并成一条护城河，围绕着一个更密集的未受干扰的空气核心。

2014年的实验只使用了四个激光灯丝的一组排列，但新实验利用了一种新颖的激光装置，可以根据激光能量自动增加灯丝的数量;细丝自然分布在一个环上。

研究人员表明，该技术可以延长空气波导的长度，增加它们可以传送到走廊尽头目标的功率。在激光行程结束时，波导保留了大约20%的光，否则这些光会从目标区域丢失。这个距离是他们之前实验记录的大约60倍。该团队的计算表明，他们尚未接近该技术的理论极限，他们表示，未来使用该方法应该可以轻松实现更高的引导效率。

“如果我们有更长的走廊，我们的结果表明我们可以为更长的波导调整激光器，”从事该项目的UMD物理研究生安德鲁塔塔罗说，他是该论文的作者。“但我们的向导正好适合我们的走廊。”

研究人员还在实验室中进行了较短的八米测试，在那里他们更详细地研究了该过程中发生的物理现象。对于较短的测试，他们设法将大约60%的潜在损失光传送到目标。

等离子体形成的爆裂声在他们的测试中得到了实际应用。除了指示光束的位置外，它还为研究人员提供了数据。他们使用一排64个麦克风来测量波导的长度以及波导沿其长度的强度(更多的能量进入波导会转化为更响亮的流行音乐)。

该团队发现，波导只持续了百分之一秒，然后消散回稀薄的空气中。但对于研究人员通过它发出的激光爆发来说，那是亿万年的事：在那段时间内，光可以穿越3,000多公里。

根据研究人员从他们的实验和模拟中学到的知识，该团队正在计划实验以进一步提高空气波导的长度和效率。他们还计划引导不同颜色的光，并研究更快的灯丝脉冲重复率是否可以产生波导以引导连续的高功率光束。

“空气波导达到50米的规模实际上为更长的波导和许多应用开辟了道路，”Milchberg说。“基于我们即将获得的新激光器，我们有办法将我们的指南扩展到一公里或更远。”