거의 50미터에 달하는 레이저 실험이 대학 복도에서 기록을 세움

[아름이]

거의 50미터에 달하는 레이저 실험이 대학 복도에서 기록을 세움
날짜:
2023년 1월 19일
원천:
메릴랜드 대학교
요약:
연구원들은 45m 길이의 공기 도파관에 빛을 안내하여 기록을 세웠습니다.

종이와 피부를 태울 만큼 강력한 레이저 펄스가 복도를 타고 내려오는 것은 모든 대학이 아닙니다. 하지만 캠퍼스 북동쪽 모퉁이에 있는 눈에 띄지 않는 건물인 UMD의 에너지 연구 시설에서 그런 일이 일어났습니다. 지금 실용주의적인 흰색과 회색 홀을 방문하면 코르크 판 뒤편에서 벽의 구멍을 덮고 있는 금속판을 발견하지 않는 한 다른 대학 홀처럼 보입니다.

그러나 2021년에 UMD 물리학 교수인 Howard Milchberg와 그의 동료들은 며칠 밤 동안 복도를 실험실로 탈바꿈시켰습니다. 연결 복도는 표지판, 주의 테이프 및 특수 레이저 흡수 검은색 커튼으로 차단되었습니다. 과학 장비와 케이블은 일반적으로 열린 보행 공간에 거주했습니다.

팀원들이 작업을 진행하는 동안 레이저가 복도를 따라 타오르는 위험할 정도로 강력한 경로에 대해 경고하는 날카로운 소리가 들렸습니다. 때때로 빔의 여정은 흰색 세라믹 블록에서 끝나 더 큰 팝과 금속 탱으로 공기를 채웠습니다. 매일 밤 연구원은 워키토키와 함께 인접 연구실의 컴퓨터에 홀로 앉아 요청된 레이저 조정을 수행했습니다.

그들의 노력은 얇은 공기를 수십 미터 동안 빛을 안내하는 광섬유 케이블, 더 구체적으로 공기 도파관으로 일시적으로 변형시키는 것이 었습니다. 광학 데이터 스트림을 위한 효율적인 고속도로를 제공하는 광섬유 인터넷 케이블 중 하나와 마찬가지로 공기 도파관은 빛의 경로를 규정합니다. 이러한 공기 도파관은 대기 오염, 장거리 레이저 통신 또는 레이저 무기에 의해 방출되는 빛을 감지하는 것과 같이 빛을 수집하거나 전송하는 것과 관련된 많은 잠재적 응용 분야를 가지고 있습니다. 공기 도파관을 사용하면 단단한 케이블을 풀어서 중력의 제약을 걱정할 필요가 없습니다. 대신, 케이블은 공중에서 지지되지 않는 형태로 빠르게 형성됩니다. Physical Review X 저널 게재 승인을 받은 논문에서팀은 45m 길이의 공기 도파관에서 빛을 유도하여 기록을 세운 방법을 설명하고 그 방법 뒤에 있는 물리학을 설명했습니다.

연구원들은 근무 시간 동안 동료나 순진한 학생들을 불편하게 하거나 재핑하는 것을 피하기 위해 밤에 기록적인 대기 연금술을 수행했습니다. 그들은 복도의 용도를 변경하기 전에 안전 절차의 승인을 받아야 했습니다.

프로젝트에 참여한 UMD 전기 및 컴퓨터 공학 대학원생 Andrew Goffin은 "정말 특별한 경험이었습니다. "눈의 안전을 위해 커튼을 치는 것과 같이 실험실에 있을 때는 처리할 필요가 없는 레이저를 실험실 밖에서 쏘는 데 들어가는 많은 작업이 있습니다. 확실히 피곤했습니다."

모든 작업은 그들이 기술을 어느 정도까지 밀 수 있는지 확인하는 것이 었습니다. 이전에 Milchberg의 연구실은 비슷한 방법이 1미터 미만의 거리에서 작동한다는 것을 입증했습니다. 그러나 연구원들은 실험을 수십 미터로 확장하는 데 장애물에 부딪혔습니다. 실험실이 너무 작고 레이저를 움직이는 것이 비실용적입니다. 따라서 벽의 구멍과 복도는 실험실 공간이 됩니다.

"중요한 문제가 있었습니다. 50미터까지의 대규모 확장으로 인해 공기 도파관 생성의 기본 물리학을 재고해야 했고, 50미터 길이의 공공 복도에 고출력 레이저를 보내려는 것은 자연스럽게 주요 안전 문제를 유발했습니다. " Milchberg는 말합니다. "다행히 우리는 물리학과 메릴랜드 환경 안전 사무소 모두로부터 훌륭한 협력을 얻었습니다!"

광섬유 케이블이나 도파관이 없으면 광선(레이저 또는 손전등)은 이동하면서 지속적으로 확장됩니다. 확인되지 않은 확산을 허용하면 빔의 강도가 유용하지 않은 수준으로 떨어질 수 있습니다. 공상 과학 소설의 레이저 블래스터를 재현하거나 레이저로 에너지를 가득 채우고 방출된 빛을 캡처하여 대기 오염 물질 수준을 감지하려는 경우 효율적이고 집중된 빛 전달을 보장하는 것이 좋습니다.

빛을 제한하는 이 문제에 대한 Milchberg의 잠재적 솔루션은 초단 레이저 펄스 형태의 추가 빛입니다. 이 프로젝트는 그의 연구실에서 그러한 레이저 펄스를 사용하여 공중에서 도파관을 조각할 수 있음을 시연한 2014년의 이전 작업을 기반으로 구축되었습니다.

짧은 펄스 기술은 레이저의 능력을 활용하여 필라멘트라고 하는 경로를 따라 높은 강도를 제공하여 플라즈마(전자가 원자에서 분리된 물질의 위상)를 생성합니다. 이 에너지 경로는 공기를 가열하므로 팽창하고 레이저의 여파에 저밀도 공기 경로를 남깁니다. 이 과정은 번개의 에너지가 공기를 플라스마로 바꾸어 공기를 폭발적으로 팽창시켜 천둥을 만드는 작은 버전의 조명과 천둥과 비슷합니다. 연구원들이 빔 경로를 따라 들었던 펑하는 소리는 천둥의 작은 사촌이었습니다.

그러나 이러한 저밀도 필라멘트 경로 자체는 팀이 레이저를 안내하는 데 필요한 것이 아닙니다. 연구원들은 고밀도 코어(인터넷 광섬유 케이블과 동일)를 원했습니다. 그래서 그들은 교란되지 않은 공기의 밀도가 높은 코어를 둘러싸는 해자로 자연스럽게 확산되고 병합되는 여러 개의 저밀도 터널 배열을 만들었습니다.

2014년 실험에서는 단 4개의 레이저 필라멘트 세트 배열을 사용했지만 새로운 실험에서는 레이저 에너지에 따라 필라멘트 수를 자동으로 확장하는 새로운 레이저 설정을 활용했습니다. 필라멘트는 자연스럽게 고리 주위에 분포합니다.

연구원들은 이 기술이 공기 도파관의 길이를 연장하여 복도 끝에 있는 목표물에 전달할 수 있는 전력을 증가시킬 수 있음을 보여주었습니다. 레이저의 여정이 끝날 때 도파관은 목표 영역에서 손실되었을 빛의 약 20%를 유지했습니다. 거리는 이전 실험의 기록보다 약 60배 더 멀었습니다. 팀의 계산은 그들이 아직 기술의 이론적인 한계에 근접하지 않았음을 시사하며 그들은 훨씬 더 높은 유도 효율이 미래에 이 방법으로 쉽게 달성될 수 있어야 한다고 말합니다.

"우리가 더 긴 복도를 가지고 있었다면, 우리의 결과는 더 긴 도파관을 위해 레이저를 조정할 수 있다는 것을 보여줍니다. "그러나 우리는 우리가 가지고 있는 복도에 딱 맞는 가이드를 얻었습니다."

연구원들은 또한 실험실에서 더 짧은 8미터 테스트를 수행하여 프로세스에서 수행되는 물리학을 더 자세히 조사했습니다. 더 짧은 테스트에서 그들은 잠재적으로 손실된 빛의 약 60%를 목표에 전달했습니다.

플라즈마 형성의 펑하는 소리는 그들의 테스트에서 실용화되었습니다. 빔이 어디에 있는지 알려주는 것 외에도 연구원들에게 데이터를 제공했습니다. 그들은 64개의 마이크 라인을 사용하여 도파관의 길이와 도파관이 길이를 따라 얼마나 강한지 측정했습니다(도파관을 만드는 데 더 많은 에너지가 들어가는 것이 더 큰 팝으로 변환됨).

팀은 도파관이 허공으로 다시 흩어지기 전에 100분의 1초 동안만 지속된다는 것을 발견했습니다. 그러나 그것은 연구원들이 레이저 폭발을 통해 보내는 영겁의 시간입니다. 빛은 그 시간에 3,000km 이상을 통과할 수 있습니다.

연구원들이 실험과 시뮬레이션에서 배운 것을 바탕으로 팀은 공기 도파관의 길이와 효율성을 더욱 향상시키기 위한 실험을 계획하고 있습니다. 그들은 또한 다양한 색상의 빛을 안내하고 더 빠른 필라멘트 펄스 반복 속도가 연속적인 고출력 빔을 전달하기 위한 도파관을 생성할 수 있는지 조사할 계획입니다.

"공기 도파관의 50미터 규모에 도달하면 말 그대로 훨씬 더 긴 도파관과 많은 응용 분야를 위한 길을 열어줍니다."라고 Milchberg는 말합니다. "우리가 곧 얻게 될 새로운 레이저를 기반으로 가이드를 1km 이상으로 확장할 수 있는 비법이 있습니다."

출처 : https://www.sciencedaily.com/