Kan ljus användas för att överföra information mellan satelliter och jorden? Atmosfärisk vattenånga sprider och absorberar ljusenergi, men övervinn det hindret, och ljus kommer att bära mycket mer information och flytta den snabbare än de radiovågor vi för närvarande litar på. Ett nytt forskningsprojekt, med stöd av National Geospatial-Intelligence Agency, föreslår att man använder ljusets egenskaper för att slå en väg för data genom molnen.

"Mitt arbete är att förstå ljusets beståndsdelar och manipulera dem för att interagera med materia. Under de senaste åren, vi har sett fler framsteg när det gäller att använda ljus för biomedicinsk bildbehandling och kvantberäkning, men de grundläggande egenskaperna för att manipulera ljus är desamma, och ljus kan göras för att utföra detta arbete, sa Moussa N'Gom, en biträdande professor i fysik vid Rensselaer Polytechnic Institute.

Använda ljus för att flytta data trådlöst, känd som optisk kommunikation med fritt utrymme, är vanligt i applikationer som bara behöver resa en kort sträcka, som infraröda fjärrkontroller. Men tillförlitligheten, kvalitet, och stabiliteten hos ljustransmitterade data sjunker när de används över ett stort avstånd inom jordens atmosfär. Precis som solljus värmer molnen och bryts till ett diffust sken, data som färdas när ljuset sprids och går förlorat bland atmosfärens gaser.

I hans labb, N'Gom manipulerar ljusets tre huvudkomponenter - polarisering, som styr riktningen för det elektriska ljusfältet; fas, som förändrar hur ljus interagerar med sin omgivning; och ljusvågornas amplitud – för att skapa specialiserat ljus med ovanliga egenskaper. Han kan använda ljus för att avbilda levande vävnad, skär hårda material med precision, eller förbättra den optiska kommunikationen.

För att skicka data genom atmosfären, N'Gom använder en laser konfigurerad för att generera en ljuspuls så kort, intensiv, och enhetligt att det kommer att skapa en liten sfär av plasma – en överhettad gas som skapas av interaktionen mellan pulsen och molnens vattenånga – i luften längs ljusets väg.

Plasmasfären fortsätter att absorbera energi från ytterligare pulser, vilket i sin tur gör att den fokuserar om och omdirigerar mötande pulser och genererar ytterligare en plasmasfär längs ljusets väg. Sedan upprepas cykeln.

Denna kaskadeffekt, som ett resultat av den upprepade interaktionen mellan pulståget och plasman, kan generera en laserfilament så lång som 100 meter. Längs den filamentet, plasmasfärerna producerar en akustisk våg som sprider vattenångan runt dem. Och i den klara tunneln som bildas runt lasertråden och dess plasmahölje, N'Gom kan leverera en andra munkformad dataström av ljus som färdas från rymden till jorden utan att försämras.

Varje puls varar bara i storleksordningen en femtosekund, 10X-15 sekunder, en otroligt kort tid under vilken ljuset färdas omkring 6 mikron, eller bredden på ett människohår.

"I just detta, mycket kort tid, Jag kan leverera mycket energi mycket snabbt, allt på en gång, " sa N'Gom. "Och det bryter isär atmosfären. Det är väldigt kort, men det är så starkt och fokuserat vid ett tillfälle, och du kommer att ha en hel rad av det, skapa ett hål genom molnen som vi kan använda för att skicka information."

Även om varje puls består av ljus i det synliga spektrumet - med våglängder mellan 400 och 800 nanometer - och packar en enorm mängd energi under dess varaktighet, de är så korta att systemet inte kommer att synas, inte heller skada liv eller miljö.

Projektet, "Free Space Optical Communication Through Dynamic Media" stöds med en treårig $600, 000 bidrag.