Оптический кабель можно создавать прямо в воздухе

Типичное оптоволокно состоит из прозрачной стеклянной жилы в облатке из материала с более низким показателем преломления. При попытке выйти за пределы центральной области свет испытывает внутреннее отражение и отбрасывается обратно. Твердые оптические волокна имеют ограничения по передаваемой мощности и требуют физической поддержки, которая не может быть обеспечена, например в верхних слоях атмосферы.

В июльском выпуске журнала Optica коллектив Мэрилендского университета под руководством профессора физики и электротехники Говарда Милчберга (Howard Milchberg) описал способ, как заставить воздух действовать подобно оптоволокну и переносить световые лучи на большие расстояния почти без потерь энергии.

Воздушные волноводы Милчберга состоят из стенки воздуха низкой плотности, окружающей ядро с более высокой плотностью (и более высоким коэффициентом преломления).

В эксперименте, ученые использовали такой волновод, чтобы перенести свет от искры, вызыванной лазерным излучением, на расстояние около метра, к детектору. Они смогли получить на входе детектора достаточно сильный сигнал, чтобы проанализировать химический состав воздуха, распавшегося в лазерной искре.

Интенсивность сигнала была в полтора раза больше, чем без волновода. Это может показаться незначительным выигрышем, но на расстояниях в сотни раз больше, на которых ненаправленный сигнал ослабляется намного сильнее, преимущества воздушного кабеля будут гораздо более ощутимы.

Для формирования волноводов Милчберг использует очень короткие и мощные лазерные импульсы, которые в воздухе сжимаются в узкий пучок, называемый волокном. Это происходит поскольку по центру лазерного луча индекс преломления воздуха увеличивается, обеспечивая эффект самофокусировки.

Ранее ученый показал, что такие волокна нагревают воздух, заставляя его расширяться и оставляя за собой «дыру» низкой плотности. Таким образом, если выстреливать «каре» из четырех лазерных импульсов длительностью менее одной триллионной доли секунды, образуется стенка пониженной плотности, необходимая для волновода. Запущенный внутрь такого канала более мощный луч, в испытаниях, практически не испытывал ослабления на расстоянии около метра.

Интересно, что воздушная «труба» сохраняется в течение нескольких миллисекунд, то есть в миллион раз дольше, чем создавшие ее импульсы. Мичберг уподобляет ее физическим оптоволоконным кабелям, которые можно прокладывать со скоростью света в любом требуемом направлении.

Теперь исследователям нужно показать, что воздушные волноводы можно применять на больших расстояниях — не менее 50 метров. Если удастся этого добиться, перед новой технологией откроется действительно широкое поле приложений, включая удаленный анализ верхних слоев атмосферы и ядерных реакторов, или высокоточную лазерную картографию.

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365