Donut bat des records dans les faisceaux laser

Donut bat des records dans les faisceaux laser
Le beignet bat des records dans les faisceaux laser - Les chercheurs ont utilisé des impulsions laser avec un profil en forme de beignet pour créer un guide d'ondes d'air. Les impulsions forment initialement de minces filaments (rouges) qui chauffent l'air et finissent par former un revêtement de faible densité (orange). Les chercheurs peuvent transmettre une deuxième impulsion laser (verte) à travers ce guide d'ondes. -APS/A. Brisepierre

La lumière peut parcourir plus de 50 mètres dans un guide d'ondes formé par l'air ; qui est 60 fois plus loin que les conceptions précédentes de guides d'ondes à air.

Les guides d'ondes optiques conventionnels contiennent un noyau entouré d'un revêtement d'indice de réfraction inférieur, comme les fibres optiques et les guides d'ondes plans. La réflexion interne totale au niveau de la barrière noyau-gaine confine efficacement la lumière à l'intérieur du noyau. Bien que les fibres optiques puissent transporter la lumière sur des distances de plusieurs centaines de kilomètres, il existe certaines applications telles que la transmission à haute puissance et la surveillance atmosphérique où l'utilisation de la fibre n'est pas adaptée. Il n'est pas possible d'envoyer la lumière directement dans l'air, car la diffraction provoque la dispersion du faisceau.

Une solution possible consiste à "façonner" des guides d'ondes aéroportés à l'aide d'impulsions laser qui se traduisent par un revêtement à faible densité entourant un noyau d'air inaltéré au centre. Andrew Goffin de l'Université du Maryland, College Park, et ses collègues ont développé un guide d'ondes de 45 mètres de long dans l'air en utilisant une nouvelle technique utilisant des rayons en forme de beignet, battant 60 fois leur précédent record. Cet exploit pourrait permettre de délivrer de puissantes impulsions laser à des endroits éloignés, ouvrant une gamme de possibilités pour le routage des micro-ondes, la télédétection et le contrôle de la foudre.

Un guide d'ondes à air fonctionne en déclenchant une impulsion laser femtoseconde, qui crée un canal d'air temporaire à travers lequel la prochaine impulsion "sonde" peut passer. En chauffant les molécules d'air, le premier impact crée l'inégalité d'indice de réfraction nécessaire entre le noyau et le revêtement. L'air chauffé se dilate de sorte que la densité du revêtement est réduite par rapport à l'air ambiant. Le guide d'ondes à air résultant peut supporter le signal de la sonde pendant plusieurs millisecondes.

Cependant, on peut se demander comment la première impulsion laser a pu faire avancer la sonde sans dispersion. La solution peut être trouvée dans un processus non linéaire appelé filamentation, qui se développe lorsque deux effets d'air opposés sont équilibrés. Sur une distance beaucoup plus grande que ne le permet la diffraction dans des conditions de propagation linéaire, la filamentation peut confiner étroitement un champ laser.

Puissance des filaments laser

Cependant, la puissance moyenne dans le noyau du filament n'est limitée que par le fait qu'un filament laser ne peut pas être plus large que 200 m et plus dense que 1014 W/cm2 à son sommet. Cela inactive les filaments produits par les impulsions laser femtosecondes pour fournir par eux-mêmes une puissance élevée. Cependant, lorsque les filaments sont utilisés pour produire un guide d'ondes à air, ils peuvent former un canal pour les rayons lumineux puissants.

En 2014, Goffin et al ont fait la première démonstration du principe du guide d'ondes à air. Dans cette première étude, l'équipe a utilisé un faisceau laser rouge pour traverser un masque à quatre segments afin de créer quatre filaments laser de forme carrée. Une "clôture de lumière" de ces filaments contenait la lumière en son centre.

À l'aide de ce guide d'ondes, les scientifiques ont transmis une impulsion de lumière verte de 70 mJ d'environ 110 cm de long dans l'air.

L'équipe a maintenant remarquablement étendu avec succès ce travail antérieur. Le petit nombre de filaments dans la barrière de lumière, qui limite la largeur du guide d'ondes et la force de la différence de densité entre le cœur et la gaine, est à l'origine de la très courte longueur du premier guide d'ondes à air du groupe. Naïvement, il est envisageable d'augmenter leur nombre en utilisant un masque avec plus de segments pour ensemencer plus de filaments. En réalité, il est difficile de garantir que les segments forment localement des fronts de phase lisses et des lobes de faisceau uniformément excités.

Les auteurs considèrent également un faisceau en forme de beignet, ou plus précisément, un mode LG01 lisse de Laguerre-Gaussien. Ils produisent ce mode en focalisant la lumière laser sur un anneau de plusieurs millimètres de diamètre à l'aide d'une lame de phase en spirale. Autour de l'anneau de beignet, une lumière focalisée étincelle un filament aléatoire uniformément réparti. Si la fluidité laser locale ne change pas, l'utilisation d'un faisceau plus large entraînera inévitablement plus de filaments et couvrira tout le cercle du guide d'ondes.

Les auteurs ont démontré le guide d'ondes d'air sur une distance de 45 m dans un couloir à côté de leur laboratoire. Une impulsion laser de 800 fs avec une longueur d'onde de 120 nm et une énergie totale de 300 mJ a été utilisée comme générateur de guide d'ondes.

Cette impulsion a formé environ 01 filaments autour d'un anneau de 5,6 mm de diamètre après avoir été imprimée avec le mod beignet LG30. Les scientifiques ont envoyé une impulsion de sonde de 532 ns avec une longueur d'onde de 1 nm et une énergie totale de 7 mJ à travers le guide d'ondes résultant. Selon un détecteur mesurant la quantité de lumière transmise sur différentes distances, la quantité de lumière fournie par le guide d'ondes était d'environ 20 % supérieure à celle sans. De plus, les scientifiques ont montré que le guide d'ondes à air avait une longue durée de vie de plusieurs dizaines de millisecondes.

Cependant, cette technique de guide d'onde présente certains inconvénients tels qu'une perte de propagation importante, un faible profil de mode du faisceau dirigé et un coût énergétique élevé pour créer le guide d'onde à air.

Les chercheurs devront créer des méthodes de mise en forme de la lumière plus avancées pour améliorer les performances du schéma. Si le faisceau de beignets d'origine pouvait être rendu plus homogène, de nombreux filaments devraient croître de manière plus déterministe. Cela se traduira par des guides d'ondes d'air plus stables et reproductibles.

À l'avenir, les scientifiques envisagent des guides d'ondes aériens qui pourraient transmettre une lumière de grande puissance sur une distance d'un kilomètre ou plus. Selon leurs calculs, une impulsion LG40 à haute énergie (jusqu'à 80 J) serait nécessaire pour prendre en charge une couverture en anneau de 2 à 01 filaments pour obtenir une transmission à l'échelle du kilomètre. Ce guide d'ondes à air offre une grande variété d'applications utiles qui nécessitent une distribution d'énergie laser efficace dans des régions éloignées de l'atmosphère.

L'un est la détection de polluants gazeux à l'aide de la lumière UV transmise à travers le milieu par un guide d'ondes d'air. La lumière émise par les polluants excités peut alors être étudiée par spectroscopie. La détection à distance de matières radioactives est possible en utilisant une méthode similaire. La protection contre la foudre par la création d'un canal de plasma qui peut diriger la foudre vers la terre est une autre utilisation potentielle qui a été démontrée récemment.

Source : physics.aps.org/articles/v16/11

 

 

Günceleme: 24/01/2023 12:40

Annonces similaires

Soyez le premier à commenter

votre commentaire