Transmission af data fra rummet til jorden med laserfilamenter

Kan lys bruges til at transmittere information mellem satellitter og Jorden? Atmosfærisk vanddamp spreder og absorberer lysenergi, men overvind den forhindring, og lys vil bære langt mere information og flytte den hurtigere end de radiobølger, vi i øjeblikket er afhængige af. Et nyt forskningsprojekt, støttet af National Geospatial-Intelligence Agency, foreslår at bruge lysets egenskaber til at slå en vej for data gennem skyerne.

"Mit arbejde er at forstå lysets bestanddele og manipulere dem til at interagere med materien. I de seneste år, vi har set flere fremskridt i brugen af ​​lys til biomedicinsk billeddannelse og kvanteberegning, men de grundlæggende egenskaber ved at manipulere lys er de samme, og lys kan laves til at udføre dette arbejde, " sagde Moussa N'Gom, en adjunkt i fysik ved Rensselaer Polytekniske Institut.

Brug af lys til at flytte data trådløst, kendt som frirum optisk kommunikation, er almindelig i applikationer, der kun behøver at rejse en kort afstand, som infrarøde fjernbetjeninger. Men pålideligheden, kvalitet, og stabiliteten af ​​lystransmitterede data styrtdykker, når de bruges over enhver væsentlig afstand inden for Jordens atmosfære. Ligesom sollys opvarmer skyerne og brydes til et diffust skær, data, der rejser mens lyset spredes og går tabt blandt atmosfærens gasser.

I sit laboratorium, N'Gom manipulerer lysets tre hovedkomponenter - polarisering, som styrer retningen af ​​det elektriske lysfelt; fase, som ændrer, hvordan lys interagerer med dets omgivelser; og amplituden af ​​lysbølger - for at skabe specialiseret lys med usædvanlige egenskaber. Han kan bruge lys til at afbilde levende væv, skære hårde materialer med præcision, eller forbedre den optiske kommunikation.

For at sende data gennem atmosfæren, N'Gom bruger en laser konfigureret til at generere en lysimpuls så kort, intens, og ensartet, at den vil skabe en lille kugle af plasma – en overophedet gas skabt af interaktionen mellem pulsen og skyernes vanddamp – i luften langs lysets vej.

Plasmakuglen fortsætter med at absorbere energi fra yderligere impulser, hvilket igen får den til at omfokusere og omdirigere modkørende impulser og generere en ekstra plasmakugle langs lysets vej. Derefter gentages cyklussen.

Denne kaskadeeffekt, som følge af den gentagne interaktion mellem pulstoget og plasmaet, kan generere en laserfilament så lang som 100 meter. Langs den filament, plasmakuglerne producerer en akustisk bølge, der spreder vanddampen omkring sig. Og i den klare tunnel, der dannes omkring lasertråden og dens plasmakonvolut, N'Gom kan levere en anden donut-formet datastrøm af lys, der rejser fra rummet til Jorden uden at forringe.

Hver puls varer kun i størrelsesordenen et femtosekund, 10X-15 sekunder, en utrolig kort tid, hvor lyset bevæger sig omkring 6 mikron, eller bredden af ​​et menneskehår.

"I netop dette, meget kort tid, Jeg kan levere en masse energi meget hurtigt, alt på en gang, " sagde N'Gom. "Og det bryder atmosfæren fra hinanden. Det er meget kort, men det er så stærkt og fokuseret på et tidspunkt, og du vil have en hel række af det, skabe et hul gennem skyerne, som vi kan bruge til at sende information."

Selvom hver puls er sammensat af lys i det synlige spektrum - med bølgelængder mellem 400 og 800 nanometer - og pakker en enorm mængde energi i dens varighed, de er så korte, at systemet ikke vil være synligt, ej heller skade liv eller miljø.

Projektet, "Free Space Optical Communication Through Dynamic Media" understøttes med en tre-årig $600, 000 tilskud.