La proiezione a distanza nell'atmosfera di raggi laser ad alto picco e a potenza media è un obiettivo di lunga data con un'ampia gamma di applicazioni
Non è in tutte le università che impulsi laser abbastanza potenti da bruciare carta e pelle vengono lanciati lungo un corridoio. Ma è quello che è successo nell'Energy Research Facility dell'University of Maryland, un edificio dall'aspetto insignificante nell'angolo nord-est del campus. Per diverse di notti nel 2021, il professore di fisica dell'UMD Howard Milchberg e i suoi colleghi hanno trasformato il corridoio in un laboratorio. Le superfici lucide delle porte e una fontana d'acqua sono state coperte per evitare riflessi potenzialmente accecanti; i corridoi di collegamento sono stati bloccati con cartelli, nastro adesivo, speciali tende nere che assorbono i laser e attrezzature scientifiche.
Mentre i membri del team svolgevano il loro lavoro, uno schiocco ha avvertito del percorso pericolosamente potente che il laser ha tracciato lungo il corridoio. A volte il viaggio della trave terminava su un blocco di ceramica bianca, riempiendo l'aria di schiocchi più forti e di un odore metallico. Ogni notte, un ricercatore sedeva da solo davanti a un computer nel laboratorio adiacente con un walkie-talkie ed eseguiva le regolazioni richieste al laser.
I loro sforzi consistevano nel trasfigurare temporaneamente l'aria sottile in un cavo in fibra ottica - o, più specificamente, una guida d'onda aerea - che avrebbe guidato la luce per decine di metri. Come uno dei cavi Internet in fibra ottica che forniscono autostrade efficienti per flussi di dati ottici, una guida d'onda aerea prescrive un percorso per la luce. Queste guide d'onda aeree hanno molte potenziali applicazioni legate alla raccolta o alla trasmissione della luce, come il rilevamento della luce emessa dall'inquinamento atmosferico, la comunicazione laser a lungo raggio o persino le armi laser. Con una guida d'onda d'aria, non è necessario srotolare un cavo solido e preoccuparsi dei vincoli di gravità; invece, il cavo si forma rapidamente senza supporto nell'aria. In un articolo accettato per la pubblicazione sulla rivista Physical Review X (1) il team ha descritto come hanno stabilito un record guidando la luce in guide d'onda d'aria lunghe 45 metri e spiegato la fisica alla base del loro metodo.
I ricercatori hanno condotto la loro alchimia atmosferica da record di notte per evitare di disturbare (o fare zapping) colleghi o studenti ignari durante la giornata lavorativa. Dovevano far approvare le loro procedure di sicurezza prima di poter riutilizzare il corridoio.
«È stata un'esperienza davvero unica», afferma il dottor Andrew Goffin (2), uno studente laureato in ingegneria elettrica e informatica dell'UMD che ha lavorato al progetto ed è uno degli autori principali dell'articolo di giornale risultante. «C'è molto lavoro da fare per sparare con i laser fuori dal laboratorio che non devi affrontare quando sei in laboratorio, come mettere le tende per proteggere gli occhi. È stato decisamente faticoso».
Tutto il lavoro consisteva nel vedere fino a che punto potevano spingere la tecnica. In precedenza il laboratorio di Milchberg aveva dimostrato che un metodo simile funzionava per distanze inferiori a un metro. Ma i ricercatori hanno incontrato un ostacolo nell'estendere i loro esperimenti a decine di metri: il loro laboratorio è troppo piccolo e spostare il laser non è pratico. Così, un buco nel muro e un corridoio diventano spazio laboratorio.
«Ci sono state grandi sfide: l'enorme scala fino a 50 metri ci ha costretto a riconsiderare la fisica fondamentale della generazione di guide d'onda aeree, inoltre il desiderio di inviare un laser ad alta potenza lungo un corridoio pubblico lungo 50 metri innesca naturalmente importanti problemi di sicurezza», dice il professor Milchberg, Howard (3). «Fortunatamente, abbiamo ottenuto un'eccellente collaborazione sia dalla fisica che dall'ufficio per la sicurezza ambientale del Maryland! Senza cavi in fibra ottica o guide d'onda, un raggio di luce, che provenga da un laser o da una torcia elettrica, si espanderà continuamente mentre viaggia. Se si lascia che si diffonda senza controllo, l'intensità di un raggio può scendere a livelli inutili. Sia che tu stia cercando di ricreare un laser blaster di fantascienza o di rilevare i livelli di inquinanti nell'atmosfera pompandoli pieni di energia con un laser e catturando la luce rilasciata, vale la pena garantire un'erogazione efficiente e concentrata della luce».
La potenziale soluzione del dottor Milchberg a questa sfida di mantenere la luce confinata è luce aggiuntiva, sotto forma di impulsi laser ultrabrevi. Questo progetto si è basato su un lavoro precedente del 2014 in cui il suo laboratorio ha dimostrato di poter utilizzare tali impulsi laser per scolpire guide d'onda nell'aria.
La tecnica dell'impulso breve utilizza la capacità di un laser di fornire un'intensità così elevata lungo un percorso, chiamato filamento, da creare un plasma, una fase della materia in cui gli elettroni sono stati strappati dai loro atomi. Questo percorso energetico riscalda l'aria, quindi si espande e lascia un percorso di aria a bassa densità nella scia del laser. Questo processo assomiglia a una versione minuscola dell'illuminazione e del tuono in cui l'energia del fulmine trasforma l'aria in un plasma che espande l'aria in modo esplosivo, creando il rombo del tuono; i suoni scoppiettanti che i ricercatori hanno sentito lungo il percorso del raggio erano i piccoli cugini del tuono.
Ma questi percorsi di filamenti a bassa densità da soli non erano ciò di cui il team aveva bisogno per guidare un laser. I ricercatori volevano un nucleo ad alta densità (lo stesso dei cavi in fibra ottica di Internet). Quindi, hanno creato una disposizione di più tunnel a bassa densità che si diffondono naturalmente e si fondono in un fossato che circonda un nucleo più denso di aria imperturbabile.
Gli esperimenti del 2014 hanno utilizzato una disposizione fissa di soli quattro filamenti laser, ma il nuovo esperimento ha sfruttato una nuova configurazione laser che aumenta automaticamente il numero di filamenti a seconda dell'energia del laser; i filamenti si distribuiscono naturalmente attorno ad un anello.
I ricercatori hanno dimostrato che la tecnica potrebbe estendere la lunghezza della guida d'onda aerea, aumentando la potenza che potrebbero fornire a un bersaglio alla fine del corridoio. Al termine del viaggio del laser, la guida d'onda aveva trattenuto circa il 20% della luce che altrimenti sarebbe andata persa dall'area bersaglio. La distanza era circa 60 volte superiore al loro record di esperimenti precedenti. I calcoli del team suggeriscono che non sono ancora vicini al limite teorico della tecnica e affermano che in futuro dovrebbero essere facilmente ottenibili efficienze di guida molto più elevate con il metodo.
«Se avessimo avuto un corridoio più lungo, i nostri risultati mostrano che avremmo potuto regolare il laser per una guida d'onda più lunga», afferma il dottor Andrew Tartaro (4), uno studente laureato in fisica dell'UMD che ha lavorato al progetto ed è un autore del documento. «Ma disponiamo della nostra guida giusta per il corridoio che abbiamo».
I ricercatori hanno anche eseguito test più brevi di otto metri in laboratorio dove hanno studiato la fisica che si svolge nel processo in modo più dettagliato. Per il test più breve sono riusciti a fornire circa il 60% della luce potenzialmente persa al loro obiettivo.
Il suono scoppiettante della formazione del plasma è stato messo in pratica nei loro test. Oltre ad essere un'indicazione di dove si trovava il raggio, ha anche fornito ai ricercatori dei dati. Hanno usato una linea di 64 microfoni per misurare la lunghezza della guida d'onda e quanto fosse forte la guida d'onda lungo la sua lunghezza (più energia utilizzata per far sì che la guida d'onda si traduca in un pop più forte).
Il team ha scoperto che la guida d'onda è durata solo centesimi di secondo prima di dissiparsi nuovamente nel nulla. Ma si tratta di eoni per le esplosioni laser che i ricercatori stavano inviando attraverso di esso: la luce può attraversare più di 3.000 km in quel tempo.
Sulla base di ciò che i ricercatori hanno appreso dai loro esperimenti e simulazioni, il team sta pianificando esperimenti per migliorare ulteriormente la lunghezza e l'efficienza delle loro guide d'onda aeree. Hanno anche in programma di guidare diversi colori di luce e di indagare se una velocità di ripetizione dell'impulso del filamento più veloce può produrre una guida d'onda per incanalare un raggio continuo ad alta potenza.
«Il raggiungimento della scala di 50 metri per le guide d'onda aeree apre letteralmente la strada a guide d'onda ancora più lunghe e molte applicazioni», afferma Milchberg. «Sulla base dei nuovi laser che presto otterremo, abbiamo la ricetta per estendere le nostre guide a un chilometro e oltre».
Riferimenti:
(1) Optical Guiding in 50-Meter-Scale Air Waveguides
(2) Andrew Goffin
(4) Andrew Tartaro
Descrizione foto: Un laser viene inviato lungo un corridoio UMD in un esperimento per catturare la luce mentre compie un viaggio di 45 metri. Distribuzioni della luce laser raccolta dopo il viaggio nel corridoio senza guida d'onda (sinistra) e con guida d'onda (destra). - Credit: Intense Laser-Matter Interactions Lab, UMD.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Nearly 50-meter Laser Experiment Sets Record in Campus Hallway