Eksperimen Laser Capai 50 Meter di Sebuah Lorong
Tidak di setiap universitas pulsa laser yang cukup kuat untuk membakar kertas dan kulit dikirim berkobar ke lorong. Tapi itulah yang terjadi di Fasilitas Riset Energi UMD, sebuah bangunan yang tampak biasa-biasa saja di sudut timur laut kampus.
Jika Anda mengunjungi aula putih dan abu-abu utilitarian sekarang, itu tampak seperti aula universitas lainnya — selama Anda tidak mengintip ke belakang papan gabus dan melihat pelat logam menutupi lubang di dinding.
Tetapi selama beberapa malam di tahun 2021, Profesor Fisika UMD Howard Milchberg dan rekan-rekannya mengubah lorong menjadi laboratorium: Permukaan pintu yang mengkilap dan air mancur ditutup untuk menghindari pantulan yang berpotensi menyilaukan; lorong penghubung diblokir dengan tanda, pita peringatan, dan tirai hitam penyerap laser khusus; dan peralatan dan kabel ilmiah menghuni ruang berjalan yang biasanya terbuka.
Saat anggota tim melakukan pekerjaan mereka, suara gertakan memperingatkan jalur yang sangat kuat dan berbahaya yang dikobarkan laser di aula. Kadang-kadang perjalanan sinar berakhir pada balok keramik putih, memenuhi udara dengan letupan yang lebih keras dan bau logam. Setiap malam, seorang peneliti duduk sendirian di depan komputer di lab yang berdekatan dengan walkie-talkie dan melakukan penyesuaian yang diminta pada laser.
Upaya mereka adalah mengubah sementara udara tipis menjadi kabel serat optik — atau, lebih khusus lagi, pandu gelombang udara — yang akan memandu cahaya sejauh puluhan meter. Seperti salah satu kabel internet serat optik yang menyediakan jalan raya yang efisien untuk aliran data optik, pandu gelombang udara mengatur jalur cahaya.
Pemandu gelombang udara ini memiliki banyak aplikasi potensial yang terkait dengan pengumpulan atau transmisi cahaya, seperti mendeteksi cahaya yang dipancarkan oleh polusi atmosfer, komunikasi laser jarak jauh, atau bahkan persenjataan laser. Dengan pandu gelombang udara, tidak perlu melepaskan kabel padat dan khawatir dengan kendala gravitasi; sebaliknya, kabel dengan cepat terbentuk tanpa penyangga di udara.
Dalam sebuah makalah yang diterima untuk dipublikasikan di jurnal Physical Review X , tim menjelaskan bagaimana mereka membuat rekor dengan memandu cahaya dalam pandu gelombang udara sepanjang 45 meter dan menjelaskan fisika di balik metode mereka.
Para peneliti melakukan alkimia atmosfer yang memecahkan rekor pada malam hari untuk menghindari ketidaknyamanan (atau kejutan listrik) rekan kerja atau siswa yang tidak menaruh curiga selama hari kerja. Mereka harus mendapatkan persetujuan prosedur keselamatan sebelum mereka dapat menggunakan kembali lorong tersebut.
"Itu adalah pengalaman yang benar-benar unik," kata Andrew Goffin, seorang mahasiswa pascasarjana teknik elektro dan komputer UMD yang mengerjakan proyek tersebut dan merupakan penulis utama artikel jurnal yang dihasilkan. "Ada banyak pekerjaan yang dilakukan untuk menembakkan laser di luar lab yang tidak harus Anda tangani saat berada di lab — seperti memasang tirai untuk keamanan mata. Itu pasti melelahkan."
Semua pekerjaan adalah untuk melihat sejauh mana mereka bisa mendorong teknik tersebut. Laboratorium Milchberg sebelumnya menunjukkan bahwa metode serupa bekerja untuk jarak kurang dari satu meter. Tetapi para peneliti menemui hambatan dalam memperluas percobaan mereka hingga puluhan meter: Lab mereka terlalu kecil dan menggerakkan laser tidak praktis. Dengan demikian, lubang di dinding dan lorong menjadi ruang lab.
“Ada tantangan besar: skala besar hingga 50 meter memaksa kami untuk mempertimbangkan kembali fisika dasar generasi pandu gelombang udara, ditambah keinginan untuk mengirim laser berkekuatan tinggi ke lorong publik sepanjang 50 meter secara alami memicu masalah keamanan utama, " kata Milchberg. "Untungnya, kami mendapat kerja sama yang sangat baik dari fisika dan dari kantor keamanan lingkungan Maryland."
Tanpa kabel serat optik atau pandu gelombang, pancaran cahaya — baik dari laser atau senter — akan terus meluas saat bergerak. Jika dibiarkan menyebar tanpa terkendali, intensitas sinar dapat turun ke tingkat yang tidak berguna. Apakah Anda sedang mencoba membuat ulang laser blaster fiksi ilmiah atau untuk mendeteksi tingkat polutan di atmosfer dengan memompanya penuh energi dengan laser dan menangkap cahaya yang dilepaskan, itu berguna untuk memastikan pengiriman cahaya yang efisien dan terkonsentrasi.
Solusi potensial Milchberg untuk tantangan membatasi cahaya ini adalah cahaya tambahan—dalam bentuk gelombang laser ultra-pendek. Proyek ini dibangun berdasarkan pekerjaan sebelumnya dari tahun 2014 di mana labnya menunjukkan bahwa mereka dapat menggunakan pulsa laser semacam itu untuk memahat pandu gelombang di udara.
Teknik pulsa pendek memanfaatkan kemampuan laser untuk memberikan intensitas tinggi di sepanjang jalur, yang disebut filamen, sehingga menciptakan plasma—fase materi di mana elektron telah terlepas dari atomnya. Jalur energik ini memanaskan udara, sehingga mengembang dan meninggalkan jalur udara berkepadatan rendah di belakang laser. Proses ini menyerupai versi kecil dari pencahayaan dan guntur di mana energi petir mengubah udara menjadi plasma yang secara eksplosif memperluas udara, menciptakan petir; suara letupan yang didengar para peneliti di sepanjang jalur pancaran adalah sepupu kecil guntur.
Tapi jalur filamen berkepadatan rendah ini sendiri bukanlah yang dibutuhkan tim untuk memandu laser. Para peneliti menginginkan inti dengan kepadatan tinggi (sama dengan kabel serat optik internet). Jadi, mereka menciptakan susunan beberapa terowongan berdensitas rendah yang secara alami berdifusi dan menyatu menjadi parit yang mengelilingi inti padat dari udara yang tidak terganggu.
Eksperimen tahun 2014 menggunakan susunan set yang hanya terdiri dari empat filamen laser, tetapi eksperimen baru ini memanfaatkan pengaturan laser baru yang secara otomatis meningkatkan jumlah filamen tergantung pada energi laser; filamen secara alami mendistribusikan diri di sekitar cincin.
Para peneliti menunjukkan bahwa teknik tersebut dapat memperpanjang panjang pandu gelombang udara, meningkatkan kekuatan yang dapat mereka kirimkan ke target di ujung lorong. Di akhir perjalanan laser, pandu gelombang menyimpan sekitar 20% cahaya yang jika tidak akan hilang dari area targetnya. Jaraknya sekitar 60 kali lebih jauh dari rekor mereka dari percobaan sebelumnya. Perhitungan tim menunjukkan bahwa mereka belum mendekati batas teoretis dari teknik ini, dan mereka mengatakan bahwa efisiensi panduan yang jauh lebih tinggi harus dapat dicapai dengan mudah dengan metode ini di masa mendatang.
"Jika kami memiliki lorong yang lebih panjang, hasil kami menunjukkan bahwa kami dapat menyesuaikan laser untuk pandu gelombang yang lebih panjang," kata Andrew Tartaro, seorang mahasiswa pascasarjana fisika UMD yang mengerjakan proyek tersebut dan merupakan penulis makalah. "Tapi kami mendapatkan pemandu kami tepat untuk lorong yang kami miliki."
Para peneliti juga melakukan tes delapan meter yang lebih pendek di laboratorium tempat mereka menyelidiki fisika yang terjadi dalam proses tersebut secara lebih mendetail. Untuk pengujian yang lebih singkat, mereka berhasil mengirimkan sekitar 60% dari potensi kehilangan cahaya ke target mereka.
Suara letupan dari formasi plasma digunakan secara praktis dalam pengujian mereka. Selain menjadi indikasi di mana pancaran itu berada, itu juga memberi para peneliti data. Mereka menggunakan rangkaian 64 mikrofon untuk mengukur panjang pandu gelombang dan seberapa kuat pandu gelombang sepanjang panjangnya (lebih banyak energi yang digunakan untuk membuat pandu gelombang diterjemahkan menjadi letupan yang lebih keras).
Tim menemukan bahwa pandu gelombang hanya bertahan seperseratus detik sebelum menghilang kembali ke udara tipis. Tapi itu ribuan tahun untuk semburan laser yang dikirim para peneliti melaluinya: Cahaya dapat melintasi lebih dari 3.000 km dalam waktu itu.
Berdasarkan apa yang dipelajari para peneliti dari eksperimen dan simulasi mereka, tim merencanakan eksperimen untuk lebih meningkatkan panjang dan efisiensi pandu gelombang udara mereka. Mereka juga berencana untuk memandu warna cahaya yang berbeda dan untuk menyelidiki apakah tingkat pengulangan pulsa filamen yang lebih cepat dapat menghasilkan pandu gelombang untuk menyalurkan pancaran daya tinggi yang berkelanjutan.
"Mencapai skala 50 meter untuk pandu gelombang udara benar-benar merintis jalan bagi pandu gelombang yang lebih panjang dan banyak aplikasi," kata Milchberg. "Berdasarkan laser baru yang akan segera kami dapatkan, kami memiliki resep untuk memperluas panduan kami hingga satu kilometer atau lebih."
Sumber: A. Goffin et al, Optical guiding in 50-meter-scale air waveguides, arXiv (2022). DOI: 10.48550/arxiv.2208.04240. (paper accepted for publication in the journal Physical Review X)
