Experimento láser de casi 50 metros establece récord en corredor universitario

No en todas las universidades se disparan pulsos de láser lo suficientemente potentes como para quemar papel y piel en un pasillo. Pero eso es lo que sucedió en el Centro de Investigación de Energía de la UMD, un edificio de aspecto anodino en la esquina noreste del campus. Si visitas la utilitaria sala blanca y gris ahora, se parece a cualquier otro salón de clases universitario, siempre y cuando no mires detrás de un tablero de corcho y veas la placa de metal que cubre un agujero en la pared.

Pero durante un puñado de noches en 2021, el profesor de física de la UMD Howard Milchberg y sus colegas convirtieron el corredor en un laboratorio: las superficies brillantes de las puertas y una fuente de agua se cubrieron para evitar reflejos potencialmente cegadores; los pasillos de conexión fueron bloqueados con letreros, adhesivos y cintas especiales láser-cortinas negras absorbentes; y el equipo científico y los cables habitados normalmente abren espacio para caminar.

Mientras los miembros del equipo realizaban su trabajo, un pop advirtió sobre el camino peligrosamente poderoso que hizo el láser por el corredor. A veces, el viaje del rayo terminaba en un bloque de cerámica blanca, llenando el aire con estallidos más fuertes y un olor metálico. Cada noche, un investigador se sentaba solo frente a una computadora en el laboratorio adyacente con un walkie-talkie y hacía los ajustes necesarios al láser.

Sus esfuerzos fueron para transfigurar temporalmente el aire delgado en una fibra cable óptico– o, más específicamente, un aire guia de ondas— que guiaría la luz por decenas de metros. Como uno de los cables de Internet de fibra óptica que proporcionan autopistas eficientes para los flujos de datos ópticos, una guía de ondas aérea prescribe un camino para la luz.

Estas guías de ondas aerotransportadas tienen muchas aplicaciones potenciales relacionadas con la recolección o transmisión de luz, como la detección de la luz emitida por la contaminación del aire, la comunicación láser de largo alcance o incluso el armamento láser. Con una guía de ondas de aire, no hay necesidad de desenrollar un cable sólido y preocuparse por las limitaciones de la gravedad; en cambio, el hueco se forma rápidamente sin apoyo en el aire.

En un artículo aceptado para su publicación en la revista Revisión física X el equipo describió cómo establecieron un récord guiando la luz en guías de ondas de aire de 45 metros de largo y explicaron la física detrás de su método.

Los investigadores llevaron a cabo su alquimia atmosférica sin precedentes durante la noche para evitar molestar (o zapping) a colegas o estudiantes desprevenidos durante la jornada laboral. Tenían que obtener la aprobación de sus procedimientos de seguridad antes de poder usar el corredor nuevamente.

«Fue una experiencia única», dice Andrew Goffin, estudiante graduado de ingeniería eléctrica e informática de la UMD que trabajó en el proyecto y es autor principal del artículo de revista resultante. «Hay mucho trabajo por hacer disparando láseres fuera del laboratorio con el que no tienes que lidiar cuando estás en el laboratorio, como poner cortinas para la seguridad de los ojos. Definitivamente fue agotador».

Todo el trabajo consistía en ver hasta dónde podían llevar la técnica. El laboratorio de Milchberg había demostrado previamente que un método similar funcionaba para distancias de menos de un metro. Pero los investigadores se encontraron con un obstáculo al extender sus experimentos a decenas de metros: su laboratorio es demasiado pequeño y mover el láser no es práctico. Así, un hueco en la pared y un pasillo se convierten en un espacio de laboratorio.

“Hubo grandes desafíos: la enorme escala de hasta 50 metros nos obligó a reconsiderar la física fundamental de generar guías de ondas en el aire, además de querer enviar un láseres de alta potencia a lo largo de un corredor público de 50 metros de largo naturalmente desencadena serios problemas de seguridad «, dice Milchberg. «Afortunadamente, hemos tenido una excelente cooperación tanto de la física como de la Oficina de Seguridad Ambiental de Maryland».

Sin cables de fibra óptica ni guías de ondas, un rayo de luz– ya sea desde un láser o una linterna – se expandirá continuamente a medida que viaja. Si se permite que se extienda fuera de control, la intensidad de un haz puede caer a niveles innecesarios. Ya sea que esté intentando recrear un blaster láser de ciencia ficción o detectar los niveles de contaminantes en la atmósfera bombeándolos con energía con un láser y capturando la luz liberada, ayuda a garantizar una entrega de luz eficiente y concentrada.

La solución potencial de Milchberg para este desafío de mantener la luz confinada es luz adicional, en forma de pulsos de láser ultracortos. Este proyecto se basó en un trabajo anterior de 2014 en el que su laboratorio demostró que podía usar esos pulsos de láser para esculpir guías de ondas en el aire.

La técnica de pulso corto utiliza la capacidad de un láser para entregar una intensidad tan alta a lo largo de un camino, llamado filamento, que crea un plasma, una fase de la materia en la que los electrones han sido despojados de sus átomos. Esta trayectoria de energía calienta el aire, luego se expande y deja una trayectoria de aire de baja densidad en la estela del láser. Este proceso se asemeja a una versión diminuta de relámpagos y truenos donde la energía del relámpago transforma el aire en un plasma que expande explosivamente el aire, creando el estruendo del trueno; los crujidos que los investigadores escucharon a lo largo del camino del rayo eran primos pequeños del trueno.

Pero estas rutas de filamentos de baja densidad por sí solas no eran lo que el equipo necesitaba para impulsar un láser. Los investigadores querían un núcleo de alta densidad (igual que los cables de fibra óptica de Internet). Luego, crearon una disposición de múltiples túneles de baja densidad que se extienden naturalmente y se fusionan en un foso que rodea un núcleo más denso de aire imperturbable.

Los experimentos de 2014 utilizaron una disposición fija de solo cuatro filamentos láser, pero el nuevo experimento aprovechó una nueva configuración láser que aumenta automáticamente la cantidad de filamentos según la energía del láser; los filamentos se distribuyen naturalmente alrededor de un anillo.

Los investigadores demostraron que la técnica podría extender la longitud de la guía de ondas en el aire, aumentando la potencia que podrían entregar a un objetivo al final del corredor. Al final del recorrido del láser, la guía de ondas había retenido alrededor del 20 % de la luz que, de otro modo, se habría perdido en el área objetivo. La distancia fue unas 60 veces mayor que su récord de experimentos anteriores. Los cálculos del equipo sugieren que aún no están cerca del límite teórico de la técnica y dicen que en el futuro deberían lograrse fácilmente eficiencias de conducción mucho más altas con el método.

“Si hubiéramos tenido un corredor más largo, nuestros resultados muestran que podríamos haber sintonizado el láser para una guía de ondas más larga”, dice Andrew Tartaro, un estudiante graduado de física de la UMD que trabajó en el proyecto y es autor del documento. «Pero tenemos nuestro guía adecuado para el pasillo que tenemos».

Los investigadores también realizaron pruebas de menos de ocho metros en el laboratorio donde estudiaron la física que interviene en el proceso con más detalle. Para la prueba más corta, lograron entregar alrededor del 60% de la luz potencialmente perdida a su lente.

El sonido crepitante de la formación de plasma se utilizó en sus pruebas. Además de ser una indicación de dónde estaba el rayo, también proporcionó datos a los investigadores. Usaron una línea de 64 micrófonos para medir la longitud de la guía de ondas y qué tan fuerte era la guía de ondas a lo largo de su longitud (se usa más energía para hacer que la guía de ondas produzca un sonido más fuerte).

El equipo descubrió que la guía de ondas duró solo centésimas de segundo antes de disiparse y volver a la nada. Pero eso son eones para los rayos láser que los investigadores estaban enviando a través de él: la luz puede viajar más de 3000 km en ese tiempo.

Con base en lo que los investigadores aprendieron de sus experimentos y simulaciones, el equipo está planeando experimentos para mejorar aún más la longitud y la eficiencia de sus guías de ondas aerotransportadas. También planean guiar diferentes colores de luz e investigar si una tasa de repetición de pulso de filamento más rápida puede producir una guía de ondas para canalizar un haz continuo de alta potencia.

«Alcanzar la escala de 50 metros para guías de ondas aéreas allana literalmente el camino para guías de ondas aún más largas y muchas aplicaciones», dice Milchberg. «Basándonos en los nuevos láseres que obtendremos pronto, tenemos la receta para extender nuestras guías a un kilómetro y más».