Fibra óptica sin lÃmites guiada con ondas de aire
Investigadores de la Universidad de Maryland (UMD) han desarrollado una fibra óptica de funcionamiento continuo hecha en el mismo aire.
Las fibras ópticas más comunes son hebras de vidrio que confinan estrechamente la luz a largas distancias. Sin embargo, estas fibras no son adecuadas para guiar rayos láser de potencia extremadamente alta debido al daño del vidrio y la dispersión de la energÃa láser fuera de la fibra. Además, la necesidad de una estructura de soporte fÃsico significa que la fibra de vidrio debe colocarse mucho antes de la transmisión o recolección de la señal de luz.
Howard Milchberg y su grupo en los Departamentos de FÃsica e IngenierÃa Eléctrica e Informática de la UMD y el Instituto de Investigación en Electrónica y FÃsica Aplicada han demostrado un método de guÃa óptica que supera ambas limitaciones, utilizando pulsos láser ultracortos auxiliares para esculpir guÃas de ondas de fibra óptica en el aire mismo.
Estos pulsos cortos forman un anillo de estructuras de luz de alta intensidad llamados "filamentos", que calientan las moléculas de aire para formar un anillo extendido de aire calentado de baja densidad que rodea una región central no perturbada; esta es exactamente la estructura del Ãndice de refracción de una fibra óptica. Con el propio aire como fibra, potencialmente se pueden guiar potencias medias muy altas. Y para la recopilación de señales ópticas remotas para detectar contaminantes y fuentes radiactivas, por ejemplo, la guÃa de ondas de aire puede "desenrollarse" arbitrariamente y dirigirse a la velocidad de la luz en cualquier dirección.
En un experimento publicado en Physical Review X, el estudiante graduado Andrew Goffin y sus colegas del grupo de Milchberg demostraron que esta técnica puede formar guÃas de ondas de aire de 50 metros de largo que persisten durante decenas de milisegundos hasta que se disipan al enfriarse el aire circundante.
Generadas utilizando solo un vatio de potencia láser promedio, estas guÃas de ondas teóricamente podrÃan guiar rayos láser de potencia promedio de megavatios, lo que los convierte en candidatos excepcionales para la energÃa dirigida. El método de la guÃa de ondas es fácilmente escalable a 1 kilómetro y más. Sin embargo, el láser generador de guÃa de ondas en ese trabajo disparó un pulso cada 100 milisegundos (tasa de repetición de 10 Hz), con una disipación de enfriamiento de más de 30 milisegundos, dejando 70 milisegundos entre disparos sin guÃa de ondas de aire presente. Esto es un impedimento para guiar un láser de onda continua o recoger una señal óptica continua.
En un nuevo Memorandum en la revista Optica, Andrew Goffin, Andrew Tartaro y Milchberg muestran que al aumentar la tasa de repetición del pulso generador de guÃa de ondas hasta 1000 Hz (un pulso cada milisegundo), la guÃa de ondas de aire se mantiene continuamente calentando y profundizando la guÃa de ondas más rápido de lo que el aire circundante puede enfriarla. El resultado es una guÃa de ondas de aire de funcionamiento continuo que puede guiar un rayo láser de onda continua inyectado. Debido a que la guÃa de ondas se profundiza con la generación repetitiva, la eficiencia del confinamiento de la luz guiada mejora en un factor de tres a la tasa de repetición más alta.
El guiado óptico de ondas continuas mejora significativamente la utilidad de las guÃas de ondas de aire: aumenta la potencia láser media máxima que se puede transportar y mantiene la estructura de guiado para su uso en la recopilación continua de señales ópticas remotas. Y debido a que las guÃas de onda de escala de kilómetros y más largas son más anchas, el enfriamiento es más lento y se necesitará una tasa de repetición muy por debajo de 1 kHz para mantener la guÃa. Este requisito más indulgente hace que la guÃa de ondas de aire continua sobre kilómetros y rangos más largos sea fácilmente alcanzable con la tecnologÃa láser existente y niveles de potencia modestos.
"Con un sistema láser adecuado para generar la guÃa de ondas, el guiado continuo de larga distancia deberÃa ser fácilmente factible", dijo Goffin en un comunicado. "Una vez que tengamos eso, es solo cuestión de tiempo antes de que estemos transmitiendo rayos láser continuos de alta potencia y detectando contaminantes a kilómetros de distancia".
