Fibra óptica sin límites guiada con ondas en el 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 energía láser fuera de la fibra. Además, la necesidad de una estructura de soporte físico 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 Física e Ingeniería Eléctrica e Informática de la UMD y el Instituto de Investigación en Electrónica y Física Aplicada han demostrado un método de guía óptica que supera ambas limitaciones, utilizando pulsos láser ultracortos auxiliares para esculpir guías 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 índice 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 guía 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 guías 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 guías de ondas teóricamente podrían guiar rayos láser de potencia promedio de megavatios, lo que los convierte en candidatos excepcionales para la energía dirigida. El método de la guía de ondas es fácilmente escalable a 1 kilómetro y más. Sin embargo, el láser generador de guía 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 guía 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 guía de ondas hasta 1000 Hz (un pulso cada milisegundo), la guía de ondas de aire se mantiene continuamente calentando y profundizando la guía de ondas más rápido de lo que el aire circundante puede enfriarla. El resultado es una guía de ondas de aire de funcionamiento continuo que puede guiar un rayo láser de onda continua inyectado. Debido a que la guía 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 guías 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 guías 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 guía. Este requisito más indulgente hace que la guía de ondas de aire continua sobre kilómetros y rangos más largos sea fácilmente alcanzable con la tecnología láser existente y niveles de potencia modestos.

«Con un sistema láser adecuado para generar la guía de ondas, el guiado continuo de larga distancia debería 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».

Fuente: Agencia ID.