Os físicos acabaram de estabelecer um novo recorde confinando um pulso de laser autofocado em uma gaiola de ar, ao longo de um corredor universitário de 45 metros de comprimento.
Com resultados anteriores bem abaixo de um metro, este mais novo experimento liderado pelo físico Howard Milchberg, da Universidade de Maryland (UMD), abre novos caminhos para confinar a luz a canais conhecidos como guias de ondas aéreas.
Um artigo descrevendo a pesquisa foi aceito na revista Physical Review X e, enquanto isso, pode ser encontrado no servidor de pré-impressão arXiv. Os resultados podem inspirar novas maneiras de alcançar comunicações baseadas em laser de longo alcance ou até mesmo tecnologia avançada de armas baseadas em laser.
“Se tivéssemos um corredor mais longo, nossos resultados mostram que poderíamos ter ajustado o laser para um guia de onda mais longo”, diz o físico da UMD, Andrew Tartaro.
“Mas temos nosso guia certo para o corredor que temos.”
Os lasers podem ser úteis para uma variedade de aplicações, mas os raios coerentes de luz bem organizados precisam ser encurralados e focados de alguma forma. Deixado por conta própria, um laser se espalhará, perdendo potência e eficácia.
Uma dessas técnicas de foco é o guia de ondas, e é exatamente o que parece: ele guia as ondas eletromagnéticas por um caminho específico, evitando que se espalhem.
A fibra óptica é um exemplo. Este consiste em um tubo de vidro ao longo do qual as ondas eletromagnéticas são direcionadas. Como o revestimento externo do tubo tem um índice de refração menor do que o centro do tubo, a luz que tenta se espalhar, em vez disso, se curva de volta para dentro do tubo, mantendo o feixe ao longo de seu comprimento.
Em 2014, Milchberg e seus colegas demonstraram com sucesso o que chamaram de guia de ondas aéreas. Em vez de usar uma construção física, como um tubo, eles usaram pulsos de laser para encurralar a luz do laser. Eles descobriram que o laser pulsado cria um plasma que aquece o ar em seu rastro, deixando para trás um caminho de ar de menor densidade. É como relâmpagos e trovões em miniatura: o ar de baixa densidade em expansão cria um som como um pequeno trovão seguindo o laser, criando o que é conhecido como filamento.
O ar de menor densidade tem um índice de refração menor do que o ar ao seu redor – como o revestimento em torno de um tubo de fibra óptica. Portanto, disparar esses filamentos em uma configuração específica que “enjaula” um feixe de laser em seu centro cria efetivamente um guia de onda no ar.
Os experimentos iniciais descritos em 2014 criaram um guia de ondas de ar de cerca de 70 centímetros (2,3 pés) de comprimento, usando quatro filamentos. Para ampliar o experimento, eles precisavam de mais filamentos – e um túnel muito mais longo para iluminar suas luzes, de preferência sem ter que mover seu equipamento pesado. Assim, um longo corredor no Energy Research Facility da UMD, alterado para permitir a propagação segura de lasers irradiados através de um buraco na parede do laboratório.
Os pontos de entrada do corredor foram bloqueados, superfícies brilhantes cobertas, cortinas de absorção de laser implantadas.
“Foi uma experiência realmente única”, diz o engenheiro elétrico da UMD, Andrew Goffin, o primeiro autor do artigo da equipe.
“Existe muito trabalho para disparar lasers fora do laboratório com o qual você não precisa lidar quando está no laboratório – como colocar cortinas para proteger os olhos. Foi definitivamente cansativo.”
Finalmente, a equipe foi capaz de criar um guia de ondas capaz de atravessar um corredor de 45 metros – acompanhado por crepitações e estalos, os minúsculos trovões criados por seus filamentos de laser “relâmpagos”. No final do guia de ondas de ar, o pulso de laser no centro reteve cerca de 20% da luz que teria sido perdida sem um guia de ondas.
De volta ao laboratório, a equipe também estudou um guia de ondas de ar mais curto, de 8 metros, para fazer medições dos processos que ocorreram no corredor, onde não havia equipamento para isso. Esses testes mais curtos foram capazes de reter 60% da luz que teria sido perdida. Os minúsculos trovões também foram úteis: quanto mais enérgico o guia de ondas, mais alto o pop.
Seus experimentos revelaram que o guia de ondas é extremamente fugaz, durando apenas centésimos de segundo. Para guiar algo que viaja na velocidade da luz, no entanto, esse tempo é suficiente.
A pesquisa sugere onde melhorias podem ser feitas; por exemplo, maior eficiência de orientação e comprimento devem resultar em ainda menos perda de luz. A equipe também quer experimentar diferentes cores de luz laser e uma taxa de pulso de filamento mais rápida, para ver se eles podem guiar um feixe de laser contínuo.
“Atingir a escala de 50 metros para guias de ondas aéreas literalmente abre caminho para guias de ondas ainda mais longas e muitas aplicações”, diz Milchberg.
“Com base nos novos lasers que logo teremos, temos a receita para estender nossos guias até um quilômetro e além.”
Publicado em 23/01/2023 23h56
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