Işık, hava ile şekillendirilmiş bir dalga kılavuzunda 50 metreden fazla yol alabilir; bu da önceki hava dalga kılavuzu tasarımlarından 60 kat daha uzaktır.
Geleneksel optik dalga kılavuzları, optik fiberler ve düzlemsel dalga kılavuzları gibi daha düşük kırılma indisine sahip bir kaplama ile çevrelenmiş bir çekirdek içerir. Çekirdek-kaplama bariyerindeki toplam iç yansıma, ışığı çekirdek içinde etkili bir şekilde sınırlar. Optik fiberler ışığı yüzlerce kilometrelik mesafelere taşıyabilse de, fiber kullanımının uygun olmadığı yüksek güç iletimi ve atmosferik izleme gibi bazı uygulamalar vardır. Kırınım ışının dağılmasına neden olduğu için ışığı doğrudan havadan göndermek mümkün değildir.
Olası bir çözüm, merkezdeki değiştirilmemiş bir hava çekirdeğini çevreleyen düşük yoğunluklu bir kaplamayla sonuçlanan lazer darbeleri kullanarak havadaki dalga kılavuzlarını “şekillendirmektir”. Maryland Üniversitesi, College Park’tan Andrew Goffin ve meslektaşları, donut şeklindeki ışınları kullanan yeni bir teknik kullanarak havada 45 metre uzunluğunda bir dalga kılavuzu geliştirdiler ve önceki rekorlarını 60 kat kırdılar. Bu başarı, güçlü lazer darbelerinin uzak noktalara ulaştırılmasını mümkün kılarak mikrodalga yönlendirme, uzaktan algılama ve yıldırım kontrolü için bir dizi olasılığın önünü açabilir.
Bir hava dalga kılavuzu, bir sonraki “prob” darbesinin geçebileceği geçici bir hava kanalı oluşturan bir femtosaniye lazer darbesi ateşleyerek çalışır. Hava moleküllerini ısıtarak, ilk darbe çekirdek ve kaplama arasında gerekli kırılma indisi eşitsizliğini yaratır. Isınan hava, kaplamanın yoğunluğunun ortam havasına göre azalmasını sağlayacak şekilde genişler. Ortaya çıkan hava dalga kılavuzu, sonda sinyalini birkaç milisaniye boyunca sürdürebilir.
Ancak ilk lazer atımının nasıl olup da dağılmadan probu ilerletebildiği sorgulanabilir. Çözüm, filamentasyon olarak bilinen ve iki karşıt hava etkisi dengelendiğinde gelişen doğrusal olmayan bir süreçte bulunabilir. Doğrusal yayılma koşulları altında kırınımın izin verdiğinden çok daha büyük bir mesafe boyunca, filamentasyon bir lazer alanını dar bir şekilde sınırlı tutabilir.
Lazer Filamentlerinde Güç
Bununla birlikte, filament çekirdeğindeki ortalama güç, bir lazer filamentinin yalnızca 200 m’den daha geniş olamayacağı ve tepe noktasında 1014 W/cm2’den daha yoğun olamayacağı gerçeğiyle sınırlıdır. Bu da femtosaniye lazer atımları tarafından üretilen filamentleri kendi başlarına yüksek güç sağlamak için etkisiz hale getirir. Bununla birlikte, filamentler bir hava dalga kılavuzu üretmek için kullanıldıklarında güçlü ışık ışınları için bir kanal oluşturabilir.
2014 yılında Goffin ve arkadaşları hava dalga kılavuzu prensibinin ilk gösterimini yaptı. Bu ilk çalışmada ekip, kırmızı bir lazer ışınını dört segmentli bir maskeden geçirerek kare şeklinde dört lazer filamenti oluşturmak için kullandı. Bu filamentlerden oluşan bir “ışık çiti”, merkezinin içinde ışık içeriyordu.
Bilim insanları bu hava dalga kılavuzunu kullanarak havada yaklaşık 70 cm uzunluğunda 110-mJ yeşil ışık darbesi iletti.
Ekip şimdi bu önceki çalışmayı dikkat çekici bir şekilde başarıyla genişletti. Dalga kılavuzunun genişliğini ve çekirdek ile kaplama arasındaki yoğunluk farkının gücünü kısıtlayan ışık çitindeki az sayıda filament, grubun ilk hava dalga kılavuzunun çok kısa uzunluğuna neden olan şeydir. Safça, daha fazla filament tohumlamak için daha fazla segmente sahip bir maske kullanarak bunların sayısını artırmak düşünülebilir. Gerçekte, segmentlerin yerel olarak düzgün faz cepheleri ve eşit enerjili ışın lobları oluşturmasını garanti etmek zordur.
Yazarlar ayrıca donut şekilli bir ışın veya daha kesin bir ifadeyle pürüzsüz bir Laguerre-Gaussian LG01 modunu da göz önünde bulundurmaktadır. Bu modu, lazer ışığını spiral bir faz plakası kullanarak birkaç milimetre çapındaki bir halkaya odaklayarak üretiyorlar. Donut halkasının etrafında, odaklanmış ışık eşit olarak dağılmış rastgele filamentasyonu kıvılcımlandırır. Yerel lazer akıcılığı değişmezse, daha büyük bir ışın kullanmak kaçınılmaz olarak daha fazla filamentle sonuçlanacak ve tüm dalga kılavuzu çemberini kaplayacaktır.
Yazarlar, laboratuvarlarının yanındaki bir koridorda 45 m’lik bir mesafe boyunca hava dalga kılavuzunu gösterdiler. Dalga kılavuzu jeneratörü olarak 800 nm dalga boyuna ve 120 mJ toplam enerjiye sahip 300 fs’lik bir lazer darbesi kullanılmıştır.
Bu darbe, LG01 donut modu ile basıldıktan sonra 5,6 mm çapında bir halka etrafında yaklaşık 30 filament oluşturdu. Bilim insanları, 532 nm dalga boyuna ve toplam 1 mJ enerjiye sahip 7 ns’lik bir prob darbesini ortaya çıkan dalga kılavuzundan gönderdi. Çeşitli mesafelerde iletilen ışık miktarını ölçen bir detektöre göre, dalga kılavuzu ile sağlanan ışık miktarı, olmayanlara göre yaklaşık %20 daha fazlaydı. Ayrıca, bilim insanları hava dalga kılavuzunun onlarca milisaniye gibi uzun bir ömre sahip olduğunu göstermiştir.
Bununla birlikte, bu dalga kılavuzu tekniğinin önemli bir yayılma kaybı, yönlendirilen ışının zayıf bir mod profili ve hava dalga kılavuzunu oluşturmak için yüksek bir enerji maliyeti gibi bazı dezavantajları vardır.
Araştırmacıların, şemanın performansını artırmak için daha gelişmiş ışık-şekillendirme yöntemleri oluşturmaları gerekecektir. Orijinal donut ışını daha homojen hale getirilebilirse, birçok filament daha deterministik bir şekilde büyümelidir. Bu da daha kararlı ve tekrarlanabilir hava dalga kılavuzları ortaya çıkaracaktır.
Bilim insanları gelecekte yüksek güçlü ışığı bir kilometre veya daha fazla mesafeye iletebilecek hava dalga kılavuzları öngörüyor. Hesaplamalarına göre, kilometre ölçeğinde iletim elde etmek için 40 ila 80 filamentten oluşan halka kapsamını destekleyen yüksek enerjili (2 J’ye kadar) bir LG01 atımı gerekli olacaktır. Bu hava dalga kılavuzu, atmosferin uzak bölgelerine etkili lazer enerjisi iletimi gerektiren çok çeşitli faydalı uygulamalar sunmaktadır.
Bunlardan biri, bir hava dalga kılavuzu tarafından ortam boyunca iletilen UV ışığı kullanılarak gaz kirleticilerin tespit edilmesidir. Uyarılmış kirleticilerin yaydığı ışık daha sonra spektroskopik olarak incelenebilir. Benzer bir yöntem kullanılarak uzaktan radyoaktif madde tespiti mümkündür. Yıldırımı yeryüzüne yönlendirebilecek bir plazma kanalının oluşturulması yoluyla yıldırımdan korunma, yakın zamanda gösterilen bir başka potansiyel kullanımdır.
Kaynak: physics.aps.org/articles/v16/11
