并不是每所大学都有强大到足以燃烧纸张和皮肤的激光脉冲被送到走廊上。但这就是UMD能源研究设施发生的事情，这是校园东北角的一栋看起来不起眼的建筑。如果你现在参观实用的白色和灰色大厅，它似乎和其他任何大学大厅一样——只要你不要在软木板后面看到覆盖在墙上的一个洞的金属板。

但在 2021 年的几个晚上，UMD 物理学教授霍华德·米尔奇伯格和他的同事将走廊变成了实验室：门和喷泉的闪亮表面被覆盖，以避免潜在的眩目反射;连接走廊被标志、警告胶带和特殊的激光吸收黑色窗帘封锁;以及科学设备和电缆居住在常开的步行空间。

当团队成员开始工作时，一阵啪啪声警告说，激光在大厅里开辟了一条危险的强大道路。有时，光束的旅程以白色陶瓷块结束，空气中充满了更响亮的爆裂声和金属的味道。每天晚上，研究人员独自坐在相邻实验室的电脑前，拿着对讲机，对激光进行要求的调整。

他们的努力是暂时将稀薄的空气转化为光纤电缆 - 或者更具体地说，空气波导 - 将光引导数十米。就像为光学数据流提供高效高速公路的光纤互联网电缆之一一样，空气波导规定了光的路径。这些空气波导具有许多与收集或传输光相关的潜在应用，例如检测大气污染发出的光，远程激光通信甚至激光武器。使用空气波导，无需解开实心电缆并关注重力的限制;相反，电缆在空中迅速形成不受支撑的电缆。在《物理评论X》杂志上发表的一篇论文中，该团队描述了他们如何通过在45米长的空气波导中指路明光来创造记录，并解释了他们方法背后的物理学。

研究人员在夜间进行了创纪录的大气炼金术，以避免在工作日给同事或毫无戒心的学生带来不便(或打击)。他们必须先获得安全程序的批准，然后才能重新利用走廊。

“这是一次非常独特的经历，”UMD电气和计算机工程研究生Andrew Goffin说，他参与了该项目，并且是由此产生的期刊文章的主要作者。“在实验室外发射激光有很多工作，当你在实验室里时，你不必处理 - 比如为了眼睛安全而拉起窗帘。这绝对很累。

所有的工作都是看看他们可以将这项技术推向多远。此前，米尔希伯格的实验室证明，类似的方法适用于不到一米的距离。但研究人员在将实验扩展到数十米时遇到了障碍：他们的实验室太小，移动激光是不切实际的。因此，墙上的一个洞和一个走廊变成了实验室空间。

“存在重大挑战：大规模放大到50米迫使我们重新考虑空气波导生成的基本物理学，而且想要将高功率激光器发送到50米长的公共走廊自然会引发重大安全问题，”Milchberg说。“幸运的是，我们得到了物理学界和马里兰州环境安全办公室的出色合作!”

如果没有光纤电缆或波导，光束(无论是来自激光还是手电筒)在传播过程中都会不断扩展。如果允许不受控制地扩散，光束的强度可能会下降到无用的水平。无论您是想重现科幻激光发射器，还是通过用激光将污染物充满能量并捕获释放的光来检测大气中的污染物水平，确保高效、集中地传输光都是值得的。

Milchberg对这种保持光线受限的挑战的潜在解决方案是额外的光 - 以超短激光脉冲的形式。这个项目建立在2014年的先前工作基础上，他的实验室证明了他们可以使用这种激光脉冲来雕刻空气中的波导。

短脉冲技术利用激光的能力沿着称为细丝的路径提供如此高的强度，从而产生等离子体 - 电子从原子中分离出来的物质相。这种高能路径加热空气，因此它会膨胀并在激光尾流中留下低密度空气路径。这个过程类似于一个微小版本的闪电和雷声，闪电的能量将空气转化为等离子体，爆炸性地膨胀空气，产生霹雳;研究人员在光束路径上听到的爆裂声是雷霆的小表亲。

但是这些低密度的灯丝路径本身并不是团队引导激光所需要的。研究人员想要一个高密度的核心(与互联网光纤电缆相同)。因此，他们创造了多个低密度隧道的排列，这些隧道自然扩散并合并成围绕更密集的未扰动空气核心的护城河。

2014年的实验使用了仅由四根激光丝组成的一组排列，但新实验利用了一种新颖的激光设置，该装置可以根据激光能量自动放大灯丝的数量;细丝自然地分布在环周围。

研究人员表明，该技术可以延长空气波导的长度，增加它们可以输送到走廊尽头目标的功率。在激光的旅程结束时，波导保留了大约20%的光，否则这些光会从目标区域丢失。距离比他们以前实验的记录大约60倍。该团队的计算表明，他们尚未接近该技术的理论极限，他们表示，将来使用该方法应该可以轻松实现更高的引导效率。

“如果我们有一个更长的走廊，我们的结果表明我们可以调整激光以获得更长的波导，”UMD物理研究生Andrew Tartaro说，他参与了该项目，也是该论文的作者。“但是我们的向导正好在走廊上。

研究人员还在实验室进行了较短的八米测试，在那里他们更详细地研究了这一过程中的物理学。对于较短的测试，他们设法将大约60%的潜在损失光传递给目标。

等离子体形成的爆裂声在他们的测试中得到了实际应用。除了指示光束的位置外，它还为研究人员提供了数据。他们使用一排64个麦克风来测量波导的长度以及波导沿其长度的强度(更多的能量用于使波导转化为更响亮的爆裂声)。

研究小组发现，波导只持续了百分之一秒，然后又消散回稀薄的空气中。但这是研究人员通过它发送的激光爆发的亿万年：光在这段时间内可以穿越3000多公里。

根据研究人员从实验和模拟中学到的知识，该团队正在计划实验，以进一步提高空气波导的长度和效率。他们还计划引导不同颜色的光，并研究更快的灯丝脉冲重复率是否可以产生波导来引导连续的高功率光束。

“达到50米的空气波导规模实际上为更长的波导和许多应用开辟了道路，”Milchberg说。“基于我们即将获得的新激光器，我们有将指南扩展到一公里及以上的秘诀。