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用空气制造远程光缆  

2014-07-28 16:28:46|  分类: 每日科学新闻 |  标签: |举报 |字号 订阅

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本文来自“科学美国人”中文版《环球科学》http://www.huanqiukexue.com/html/newcy/newxxjs/2014/0728/24671.html

想象一下,通过一根光缆或光纤就能将信号瞬间送达地球的任何地方,甚至进入太空。这正是马里兰大学物理、电气和计算机专业教授Howard Milchberg想做的事。

  

 

上图为“空气波导”的示意图。光丝在空气中形成“空洞”(红色的杆),这些空洞可以反射光。光束(箭头)在这些空洞中传播,并维持其强度和聚焦。(图片来源:Howard Milchberg)

 

在《光学》(Optica)杂志7月刊的一篇论文中,Milchberg及其团队阐述了这一想法,即利用“空气波导”的方案实现了远程光信号的低损传送。这些空气光波导可以用于远程激光通信、探测大气污染、绘制高分辨率地形图以及激光武器。

 

因为光强度随着距离增加而衰减,可以进行此类工作的光谱范围有限。即使是高准直性的激光光束,也会由于其自身衰减以及同空气的相互作用而失焦。这些纤维式的光缆如同管道一样,能够保护并引导光束,从而降低其强度损失或失焦程度。

 

典型的光纤包括一个透明的玻璃纤芯以及折射率相对较低的外围包层。由于全反射效应,当光线射出纤芯时会被反射回内部。但是,固体光纤只能承受一定的光强,而且需要物体支撑,因而不可能通向高层大气。目前,Milchberg团队研究出一种方法让空气形成类似光纤的结构,引导光束实现远程无损传输。

 

Milchberg的空气光波导包括一个由低密度空气组成的“外壁”,包裹一个充满高密度空气的内芯。外壁的折射率低于内芯——这和普通光纤一样。在Optica的论文中,Milchberg和物理学研究生Eric Rosenthal、Nihal Jhajj以及助理研究员Jared Wahlstrand,用激光诱导电离空气,并形成闪光。空气波导将闪光引入一米外的探测器。研究人员(通过探测器)接收到足够强的信号,以此分析形成闪光的空气的化学成分。

 

借此探测到的信号强度是未利用波导时的1.5倍。或许这看起来并不多,但当距离达到百倍之远的时候,信号将严重衰减,这时波导的意义便显现出来了。

 

Milchberg研究的空气波导利用了很强的超短激光脉冲。一个强激光脉冲在空气介质中电离形成很细的光束,称为“光丝”(filament)。激光成丝现象是由于激光使得光束中心的空气折射率提高,如同激光在传输中穿过了透镜。

 

在此之前,Milchberg表示,这些光丝会提高周围空气的温度,导致空气扩散并在其后留下一个低密度的气体“空洞”,其内部空气折射率要低于外围空间。光丝会一闪而过(少于一万亿分之一秒),而空洞却需要十亿倍的时长才会出现。他这样形容该现象,就像“打了你一个耳光,要等好一会你的脸才会动”。Milchberg在马里兰大学的电子与应用物理研究所(Research in Electronics and Applied Physics)也有任职。

 

2014年2月26日,Milchberg及其实验室在Physical Review X杂志的报告中称,只有在一个正方形排列中电离出四个光丝,才能形成构建低密度外壁的空洞,从而形成波导。当有一个更强的光束在这些空洞之间电离成丝,那么在一米范围内探测到的光信号几乎没有损耗。重要的是,光丝形成的“管道”可以持续几毫秒,是激光脉冲的一百万倍。Milchberg表示,对于多数激光器来说,“毫秒几乎是不可能的”。

 

正因为空气波导存在寿命较长,Milchberg认为,一个简单的波导就可以输送激光并收集信号。“这就如同你拿着一条固态光纤,按光速沿着你想要测量的轨迹铺开,你就能全程实时接收到反馈的信号。”

 

当然,首先他要确保空气波导足够长——至少能达到50米远。如果这一任务得以实现,将开辟大气光学的一个新纪元。空气光波导可以应用于对高层大气或核反应堆进行化学分析,这些地方都是检测仪器不易接近的。它还可以用作激光雷达(Light Detection And Ranging,LIDAR),这是传统雷达发展的产物,它利用激光遥感代替无线电波探测,用以绘制高分辨率的三维地形图。(撰文:布莱恩?道克索(Brian Doctrow)  翻译:檀泽浩  审校:王忻怡)

 

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

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