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          用空氣制造遠程光纜

          作者:admin 發表于:2014-07-28 點擊:2059  保護視力色:
          本文來自“科學美國人”中文版《環球科學》http://www.huanqiukexue.com/html/newcy/newxxjs/2014/0728/24671.html

          想象一下,通過一根光纜或光纖就能將信號瞬間送達地球的任何地方,甚至進入太空。這正是馬里蘭大學物理、電氣和計算機專業教授Howard Milchberg想做的事。

            

           

          上圖為“空氣波導”的示意圖。光絲在空氣中形成“空洞”(紅色的桿),這些空洞可以反射光。光束(箭頭)在這些空洞中傳播,并維持其強度和聚焦。(圖片來源:Howard Milchberg)

           

          在《光學》(Optica)雜志7月刊的一篇論文中,Milchberg及其團隊闡述了這一想法,即利用“空氣波導”的方案實現了遠程光信號的低損傳送。這些空氣光波導可以用于遠程激光通信、探測大氣污染、繪制高分辨率地形圖以及激光武器。

           

          因為光強度隨著距離增加而衰減,可以進行此類工作的光譜范圍有限。即使是高準直性的激光光束,也會由于其自身衰減以及同空氣的相互作用而失焦。這些纖維式的光纜如同管道一樣,能夠保護并引導光束,從而降低其強度損失或失焦程度。

           

          典型的光纖包括一個透明的玻璃纖芯以及折射率相對較低的外圍包層。由于全反射效應,當光線射出纖芯時會被反射回內部。但是,固體光纖只能承受一定的光強,而且需要物體支撐,因而不可能通向高層大氣。目前,Milchberg團隊研究出一種方法讓空氣形成類似光纖的結構,引導光束實現遠程無損傳輸。

           

          Milchberg的空氣光波導包括一個由低密度空氣組成的“外壁”,包裹一個充滿高密度空氣的內芯。外壁的折射率低于內芯——這和普通光纖一樣。在Optica的論文中,Milchberg和物理學研究生Eric Rosenthal、Nihal Jhajj以及助理研究員Jared Wahlstrand,用激光誘導電離空氣,并形成閃光??諝獠▽㈤W光引入一米外的探測器。研究人員(通過探測器)接收到足夠強的信號,以此分析形成閃光的空氣的化學成分。

           

          借此探測到的信號強度是未利用波導時的1.5倍?;蛟S這看起來并不多,但當距離達到百倍之遠的時候,信號將嚴重衰減,這時波導的意義便顯現出來了。

           

          Milchberg研究的空氣波導利用了很強的超短激光脈沖。一個強激光脈沖在空氣介質中電離形成很細的光束,稱為“光絲”(filament)。激光成絲現象是由于激光使得光束中心的空氣折射率提高,如同激光在傳輸中穿過了透鏡。

           

          在此之前,Milchberg表示,這些光絲會提高周圍空氣的溫度,導致空氣擴散并在其后留下一個低密度的氣體“空洞”,其內部空氣折射率要低于外圍空間。光絲會一閃而過(少于一萬億分之一秒),而空洞卻需要十億倍的時長才會出現。他這樣形容該現象,就像“打了你一個耳光,要等好一會你的臉才會動”。Milchberg在馬里蘭大學的電子與應用物理研究所(Research in Electronics and Applied Physics)也有任職。

           

          2014年2月26日,Milchberg及其實驗室在Physical Review X雜志的報告中稱,只有在一個正方形排列中電離出四個光絲,才能形成構建低密度外壁的空洞,從而形成波導。當有一個更強的光束在這些空洞之間電離成絲,那么在一米范圍內探測到的光信號幾乎沒有損耗。重要的是,光絲形成的“管道”可以持續幾毫秒,是激光脈沖的一百萬倍。Milchberg表示,對于多數激光器來說,“毫秒幾乎是不可能的”。

           

          正因為空氣波導存在壽命較長,Milchberg認為,一個簡單的波導就可以輸送激光并收集信號?!斑@就如同你拿著一條固態光纖,按光速沿著你想要測量的軌跡鋪開,你就能全程實時接收到反饋的信號?!?/P>

           

          當然,首先他要確??諝獠▽ё銐蜷L——至少能達到50米遠。如果這一任務得以實現,將開辟大氣光學的一個新紀元??諝夤獠▽Э梢詰糜趯Ω邔哟髿饣蚝朔磻堰M行化學分析,這些地方都是檢測儀器不易接近的。它還可以用作激光雷達(Light Detection And Ranging,LIDAR),這是傳統雷達發展的產物,它利用激光遙感代替無線電波探測,用以繪制高分辨率的三維地形圖。(撰文:布萊恩?道克索(Brian Doctrow)  翻譯:檀澤浩  審校:王忻怡)

           

          原文鏈接:http://phys.org/news/2014-07-optical-cables-thin-air.html


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