메릴랜드 실험에서는 얇은 공기로 만들어진 지속적으로 작동하는 광섬유를 시연합니다.

메릴랜드 대학의 연구원들은 얇은 공기로 만들어진 지속적으로 작동하는 광섬유를 시연했습니다.

가장 일반적인 광섬유는 장거리에 걸쳐 빛을 단단히 가두는 유리 가닥입니다. 그러나 이러한 섬유는 유리 손상 및 섬유 외부의 레이저 에너지 산란으로 인해 극도로 높은 출력의 레이저 빔을 유도하는 데 적합하지 않습니다. 또한 물리적 지지 구조가 필요하다는 것은 광 신호 전송 또는 수집에 앞서 유리 섬유를 미리 배치해야 함을 의미합니다.

Howard Milchberg와 그의 그룹은 Depts에 있습니다. 물리학과, ECE, 메릴랜드 대학교 전자 및 응용 물리학 연구소는 보조 초단 레이저 펄스를 사용하여 공기 자체에서 광섬유 도파관을 조각함으로써 두 가지 한계를 극복하는 광학 유도 방법을 시연했습니다. 이러한 짧은 펄스는 "필라멘트"라고 불리는 고강도 빛 구조의 고리를 형성합니다. 이 고리는 공기 분자를 가열하여 중앙의 방해받지 않는 영역을 둘러싸는 저밀도 가열 공기의 연장된 고리를 형성합니다. 이것이 바로 광섬유의 굴절률 구조입니다. 공기 자체를 섬유로 사용하면 잠재적으로 매우 높은 평균 출력을 유도할 수 있습니다. 예를 들어, 오염 물질과 방사성 소스를 감지하기 위한 원격 광학 신호를 수집하기 위해 공기 도파관은 임의로 "풀려" 임의의 방향으로 빛의 속도로 전달될 수 있습니다.

1월에 Physical Review X [Physical Review X 13, 011006(2023)]에 발표된 실험에서 대학원생 Andrew Goffin과 Milchberg 그룹의 동료들은 이 기술이 수십 밀리초 동안 지속되는 50미터 길이의 공기 도파관을 형성할 수 있음을 보여주었습니다. 주변 공기에 의해 냉각되어 소멸될 때까지. 단 1와트의 평균 레이저 전력을 사용하여 생성된 이 도파관은 이론적으로 메가와트 평균 전력 레이저 빔을 유도할 수 있으므로 지향성 에너지에 대한 뛰어난 후보가 됩니다. 도파관 방법은 1km 이상까지 간단하게 확장 가능합니다. 그러나 해당 작업의 도파관 생성 레이저는 100밀리초마다(반복률 10Hz) 펄스를 발사했으며 30밀리초가 넘는 냉각 손실로 인해 공기 도파관이 없는 샷 사이에 70밀리초가 남았습니다. 이는 연속파 레이저를 유도하거나 연속적인 광 신호를 수집하는 데 장애가 됩니다.

Optica의 새로운 각서[Optica 10, 505(2023)]에서 Andrew Goffin, Andrew Tartaro 및 Milchberg는 도파관 생성 펄스의 반복 속도를 최대 1000Hz(밀리초마다 펄스)까지 증가시킴으로써 공기가 도파관은 주변 공기가 냉각할 수 있는 것보다 빠르게 도파관을 가열하고 깊게 하여 지속적으로 유지됩니다. 그 결과 주입된 연속파 레이저 빔을 안내할 수 있는 지속적으로 작동하는 공기 도파관이 탄생했습니다. 도파관은 반복적인 생성에 의해 깊어지기 때문에 유도광 가두기 효율은 가장 높은 반복률에서 3배 향상됩니다.

연속파 광학 가이딩은 공기 도파관의 유용성을 크게 향상시킵니다. 이는 전송할 수 있는 최대 평균 레이저 출력을 증가시키고 원격 광학 신호의 연속 수집에 사용하기 위한 가이딩 구조를 유지합니다. 그리고 킬로미터 규모의 더 긴 도파관은 더 넓기 때문에 냉각 속도가 느려지고 가이드를 유지하려면 1kHz보다 훨씬 낮은 반복률이 필요합니다. 이러한 보다 관대한 요구 사항으로 인해 기존 레이저 기술과 적절한 출력 수준을 사용하여 킬로미터 이상의 연속적인 공기 도파관을 쉽게 달성할 수 있습니다.

"도파관을 생성하기 위한 적절한 레이저 시스템을 사용하면 장거리 연속 유도가 쉽게 가능해야 합니다."라고 Goffin은 말합니다. "일단 이를 확보하면 고출력 연속 레이저 빔을 전송하고 오염 물질을 감지하는 것은 시간 문제입니다. 몇 마일 떨어진 곳에서요."

출처: 메릴랜드 대학교