Свет в воздушной трубе: лазер провёл луч на 100 метров под открытым небом экспресс
Обычный фонарь светит во все стороны, и уже через пару десятков метров его луч слабеет настолько, что едва освещает стену. Атмосфера рассеивает свет, а ветер и тепловые потоки искажают его ещё сильнее. Но если проложить для света невидимую трубу прямо в воздухе, луч пойдёт по ней, как вода по шлангу.
Именно это удалось сделать с помощью коротких лазерных импульсов. Лазер на короткое время нагревает узкий канал в воздухе, и тот становится похож на линзу: свет внутри уже не разбегается в стороны, а идёт вперёд. Такой канал называют воздушным волноводом. Раньше его создавали только в лаборатории, на дистанции до 42 метров. Теперь впервые вышли на улицу и провели свет на 100 метров — при настоящем ветре до 2 метров в секунду, при тумане и скачках температуры. Канал не развалился.
Испытания показали: главный враг такого канала — боковой ветер. Он сносит нагретый воздух в сторону, и труба искривляется. Но даже при порывах канал сохранялся достаточно долго, чтобы передать сигнал. Учёные совместили опыт с расчётами и поняли, как именно ветер укорачивает жизнь волновода. Теперь можно подбирать режим работы лазера под погоду.
Зачем это нужно? Чтобы посылать энергию или связь на большие расстояния без проводов и без громоздких зеркал. Дрон получает питание не по кабелю, а по тонкому лучу, который не рассеивается даже в дождь. Или корабль в море держит связь с берегом сквозь туман. Сто метров — только первый шаг, но уже на открытом воздухе.
Оригинальная аннотация
как её написали авторы, на английском arXiv:2608.10369v1
Optical power densities for standoff spectroscopy, remote sensing, directed energy, and free-space optical communications are limited by diffraction and adverse atmospheric conditions such as turbulence, fog, and wind. Air waveguides, generated by ultrashort-pulsed laser filamentation, are a promising approach for transmission and collection of optical signals over long distances, overcoming beam diffraction and, for point-like sources, inverse square signal falloff with distance. In this work, we demonstrate outdoor guiding for the first time over a record length of ~100 m, exceeding the prior (indoor) record of 42 m. We correlate air waveguide performance to a range of real atmospheric conditions including turbulent refractive index structure parameter ($$C_n^2$$) values up to ~$$2.5\times10^{-14} m^{-2/3}$$, crosswind speeds up to ~2 m/s, as well as temperature, pressure, and humidity variations. Accompanying propagation simulations provide insight into the real effects of these environmental perturbations, particularly crosswind, on waveguide performance and lifetime. Our results pave the way for quasi-continuous air waveguiding with kHz-scale repetition rate filaments in challenging outdoor environments.
Скорость света в воздушном волноводе почти не отличается от скорости в вакууме — замедление составляет меньше одной тысячной процента.
В романе Артура Кларка «Свет иных дней» герои используют червоточины, чтобы видеть сквозь любые преграды; воздушный волновод — скромный, но реальный шаг к управлению светом в пространстве.