Outdoor 100-m-scale air waveguides
本文报告了由超短脉冲激光丝化产生的百米级空气波导的首次户外演示，该研究不仅创下了新的距离纪录，还表征了其在包括湍流和横风在内的各种真实大气条件下的性能。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。 阅读完整免责声明
想象一下，试图用手电筒照亮一片广阔且雾气弥漫的田野。通常情况下，光束会向四周扩散，变得暗淡，并最终消失在黑暗中。这是因为光自然倾向于散射，而风、热浪和空气中的尘埃让这个问题变得更加严重。科学家们长期以来一直梦想着一种能够让光束在巨大距离内保持紧凑且明亮的方法，几乎就像是创造一个透明的、中空的空气管道，作为光的公路。这种想法被称为“空气波导”。
为了建造这个隐形的管道，研究人员使用了一种特殊的激光器，它能发射极快且微小的能量脉冲。当这些脉冲撞击空气时，它们不仅仅是穿过空气；它们加热空气的速度极快，从而创造出一个环状隧道。把它想象成一个由热且薄的空气组成的甜甜圈。因为热空气比冷空气密度低，所以光在通过这个“甜甜圈”中心时的速度比通过周围的热环要快。这种差异“欺骗”了光，使其留在中间，沿着隧道弹跳前进，而不是向外扩散。虽然这在安静的实验室里已经成功实现，但一个大问题是：这种隐形的管道能否在外面那个混乱、多风且不可预测的现实世界中生存下来？
这篇论文讲述了一个团队如何将这项实验从实验室带入荒野的故事。他们在新墨西哥州洛斯阿拉莫斯的野外场地搭建了设备，并成功创建了一个长度达到创纪录的100米（大约一个足球场的长度）的空气波导。这比之前42米的室内纪录有了显著的飞跃。该团队不仅建造了这个管道，还测试了它在面对包括高达2米/秒的风速、湿度变化和大气湍流在内的真实世界天气时，能维持多久以及工作效果如何。
以下是他们的发现。“隐形管道”奏效了！他们将一束绿色的激光束射入隧道，并观察到即使在远端，光束依然保持聚焦且明亮；而在没有管道的情况下，光束会发生散射并逐渐消散。事实上，他们在100米处接收到的信号比未使用波导时强了1.5倍。这意义重大，因为它证明了这项技术可以在户外工作，而不仅仅是在受控的房间内。
然而，实验也揭示了该管道最大的弱点：风。空气隧道并不是一个实心的管子，它是一个由热量构成的幽灵结构。当风吹过时，它会将这个热环向侧面推，就像一片叶子被吹离路径一样。研究人员发现，即使是2米/秒的微风也会将隧道推离与激光束的对齐状态，导致引导效应在约3毫秒（三千分之一秒）后消失。在模拟实验中，他们证实了风速越快，隧道偏离得就越快。有趣的是，他们发现湿度或空气的“颠簸”程度（湍流）对破坏导管的影响并不像风那样大。
团队还观察了隧道的持续时间。在一个完美、无风的世界里，来自激光的热量可以让隧道维持约100毫秒。但在现实世界中，风将这一时间缩短到了仅有2到4毫秒。尽管寿命如此短暂，但结果是令人鼓舞的。作者建议，如果我们使用每秒发射数千次的激光器（“kHz级”频率），我们就能以比风吹走隧道更快的速度不断重建隧道。这可以产生一种“准稳态”导管，即一条连续的、隐形的、用于传输光的公路，使其能够在具有挑战性的户外环境中生存。
因此，虽然目前风是决定这些光路持续时间的主宰，但这篇论文证明了这一概念在现实世界中是行得通的。它表明，通过使用更快的激光，我们可能很快就能在数公里的开阔空气中传输光信号，为更好的远程传感、更清晰的通信以及新的能量定向方式开启大门，而无需任何物理线缆。
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