Una guía de ondas esculpida en el aire con láser transmite luz a una distancia de casi 50 metros, 60 veces más que los esquemas anteriores de guías de ondas de aire

Por Ya Cheng*

(Physics)- Las guías de ondas ópticas convencionales, como las fibras ópticas y las guías de ondas planas, constan de un núcleo rodeado por un revestimiento con un índice de refracción más bajo. La luz está confinada eficientemente en el núcleo por reflexión interna total en el límite del revestimiento del núcleo. Las fibras ópticas pueden transportar luz a lo largo de cientos de kilómetros, pero existen aplicaciones, como la transmisión de alta potencia y el control atmosférico, en las que el uso de fibras se vuelve poco práctico. Enviar luz directamente a través del aire no es una opción, ya que los efectos de difracción hacen que el haz se extienda. Una posible solución es “esculpir” guías de ondas en el aire con pulsos de láser que produzcan un revestimiento de baja densidad alrededor de un núcleo central de aire no perturbado. Usando un nuevo método con vigas en forma de dona, Andrew Goffin de la Universidad de Maryland, College Park,1 ], llegando 60 veces más lejos que el récord que establecieron previamente para una guía de ondas de aire. El logro puede permitir la entrega de pulsos de láser de alta potencia a objetivos remotos, abriendo una gama de aplicaciones como la detección remota, el control de rayos (ver Noticias de investigación: Un «pararrayos» basado en láser) y guía de microondas.

El principio de una guía de ondas de aire es disparar un pulso láser de femtosegundos que abre un canal de corta duración en el aire a través del cual puede pasar un pulso de «sonda» posterior [ 2 ]. El primer pulso genera el contraste de índice de refracción necesario entre el núcleo y el revestimiento al calentar los componentes del aire (como N 2 , O 2 y gases nobles). El aire calentado se expande de tal manera que la densidad del revestimiento se vuelve menor que la del aire circundante. La guía de ondas de aire resultante puede durar unos pocos milisegundos, tiempo suficiente para enviar la señal de la sonda a través de ella.

Pero uno podría preguntarse, ¿por qué el primer pulso láser puede propagarse por delante de la sonda sin extenderse? La respuesta está en un proceso no lineal, llamado filamentación, que resulta del equilibrio de dos efectos competitivos en el aire: un efecto de autoenfoque inducido por la llamada no linealidad de Kerr y un efecto de desenfoque inducido por la formación de un plasma creado por el pulso. mismo [ 3 ]. La filamentación puede mantener un campo láser estrechamente confinado en una distancia mucho mayor que la permitida por la difracción en condiciones de propagación lineal. Sin embargo, un filamento láser puede tener un ancho no mayor que ∼ 200 µm _ y una intensidad pico no superior a ∼10 14 W/cm 2 , limitando finalmente la potencia media en el núcleo del filamento. Por esta razón, los filamentos generados por pulsos de láser de femtosegundos no son un medio efectivo, por sí mismos, para entregar alta potencia. Pero cuando se utilizan para generar una guía de ondas de aire, los filamentos pueden crear un camino para haces de luz de alta potencia.

Goffin y sus colegas demostraron por primera vez el principio de la guía de ondas de aire en 2014. En ese experimento anterior, el equipo pasó un rayo láser rojo a través de una máscara de cuatro segmentos para crear cuatro filamentos láser en un patrón cuadrado. Estos filamentos formaron una «valla de luz» que confinó la luz dentro de su núcleo. Los investigadores utilizaron esta guía de ondas de aire para transmitir un pulso de luz verde de 110 mJ sobre un ∼70 cm de longitud en el aire (ver Punto de vista: una guía de ondas hecha de aire caliente).

El equipo ahora ha logrado una extensión impresionante de este trabajo anterior. La longitud relativamente corta de la primera guía de ondas de aire del grupo se debió a la cantidad limitada de filamentos en la valla de luz, lo que restringió el ancho de la guía de ondas y la fuerza del contraste de densidad entre el núcleo y el revestimiento. Para aumentar la cantidad de filamentos, uno podría imaginarse ingenuamente usando una máscara con más segmentos para sembrar una mayor cantidad de filamentos. Sin embargo, en la práctica, es difícil asegurar que los segmentos produzcan lóbulos de haz con igual energía y frentes de fase localmente suaves. Como alternativa, los autores utilizan un haz en forma de rosquilla o, técnicamente hablando, un Laguerre-Gaussian LG 01 suavemodo. Generan este modo utilizando una placa de fase en espiral que concentra la luz láser en un anillo con un diámetro de unos pocos milímetros (Fig. 1 ). La luz concentrada inicia una filamentación aleatoria en una distribución uniforme alrededor del anillo de dona. El uso de un haz más grande produce automáticamente más filamentos, siempre que la fluencia del láser local permanezca constante, lo que significa que el revestimiento resultante cubre toda la circunferencia de la guía de ondas.

En un pasillo junto a su laboratorio, los autores demostraron la guía de ondas de aire a una distancia de 45 m. Su generador de guía de ondas era un pulso láser de 300 fs con una longitud de onda de 800 nm y una energía total de 120 mJ. Este pulso se imprimió con el modo de dona LG 01 , lo que provocó que formara aproximadamente 30 filamentos alrededor de un anillo con un diámetro de 5,6 mm. A través de la guía de ondas resultante, los investigadores transmitieron un pulso de sonda de 7 ns con una longitud de onda de 532 nm y una energía total de 1 mJ. Un detector registró la cantidad de luz transmitida a varias distancias, mostrando que la luz emitida fue alrededor de un 20 % mayor con la guía de ondas que sin ella (Fig. 2 ). Los investigadores también demostraron que la guía de ondas de aire tenía una larga vida útil de decenas de milisegundos.

Sin embargo, este esquema de guía de ondas tiene algunos inconvenientes, que incluyen una pérdida de propagación relativamente alta, un perfil de modo pobre del haz guiado y un alto consumo de energía en la formación de la guía de ondas de aire. Para mejorar el rendimiento del esquema, los investigadores deberán desarrollar técnicas de escultura de luz más sofisticadas. Si el haz de dona inicial se puede hacer más uniforme, entonces los múltiples filamentos deberían formarse de una manera más determinista, y esto debería dar lugar a guías de ondas de aire que sean más estables y reproducibles.

En el futuro, los autores prevén guías de ondas de aire que pueden emitir luz de alta potencia a distancias de un kilómetro o más. Estiman que lograr una transmisión a escala de kilómetros requerirá una cobertura de anillo de soporte de pulso LG 01 de alta energía (hasta 2 J) de ~ 40–80 filamentos. Tal guía de ondas de aire abre la puerta a muchas aplicaciones prácticas que requieren un suministro eficiente de energía láser a ubicaciones remotas en la atmósfera. Un ejemplo es la detección de gases contaminantes excitándolos con luz ultravioleta transportada a través de la atmósfera por una guía de ondas de aire [ 4 , 5 ]. La luz emitida por los contaminantes excitados podría entonces analizarse espectroscópicamente. Un esquema similar podría detectar remotamente materiales radiactivos [ 6]. Otra posible aplicación, que se demostró recientemente, es la protección contra rayos a través de la generación de un canal de plasma que podría guiar los rayos hacia el suelo.

 

* Ya Cheng
Laboratorio estatal clave de espectroscopia de precisión, Universidad Normal del Este de ChinaInstituto de Óptica y Mecánica Fina de Shanghái, Academia de Ciencias de China. Su investigación se centra en la óptica no lineal ultrarrápida y la integración fotónica basada en niobato de litio de película delgada. Es miembro de Optica y miembro del Instituto de Física del Reino Unido.
Referencias
  1. Goffin et al. , «Guiado óptico en guías de ondas de aire a escala de 50 metros», Phys. Rev. X 13 , 011006 (2023) .
  2. Jhajj et al. , «Demostración de guías de ondas ópticas de alta potencia de larga duración en el aire», Phys. Rev. X 4 , 011027 (2014) .
  3. Couairon y A. Mysyrowicz, «Filamentación de femtosegundos en medios transparentes», Phys. Rep. 441 , 47 (2007) .
  4. Kasparian et al. , «Filamentos de luz blanca para el análisis atmosférico», Science 301 , 61 (2003) .
  5. Yao et al. , «Láser remoto de longitud de onda múltiple conmutable de alto brillo en el aire», Phys. Rev. A 84 , 051802 (2011) .
RM Schwartz et al. , «Detección remota de material radiactivo mediante avalancha de electrones impulsada por láser de IR medio», Sci. Adv. 5 , aav6804 (2019) .