W pracy zatytułowanej Laser-Induced-Plasma-Filament Antenna Transmitting 30 MHz VHF, opublikowanej na łamach prestiżowego IEEE Journal of Microwaves, badacze po raz pierwszy w historii udowodnili praktyczną możliwość nadawania fal radiowych za pomocą filamentu plazmowego generowanego bezpośrednio w powietrzu przez wiązkę lasera.
Istotą zjawiska jest wykorzystanie lasera o ściśle dobranej mocy i średnicy do punktowej jonizacji cząsteczek powietrza, co prowadzi do uformowania świecącej, silnie przewodzącej kolumny plazmy przypominającej z wyglądu miecz świetlny. Ponieważ fizyczna długość tradycyjnej anteny determinuje pasmo częstotliwości, na którym może ona nadawać lub odbierać sygnały, sztywne konstrukcje uniemożliwiają płynne przestrajanie rezonansu.
W przypadku filamentu plazmowego długość ta zależy wyłącznie od parametrów wiązki laserowej. Jak zauważa główna autorka pracy, doktorantka Priya Darshni, sterowanie profilem impulsu pozwala w czasie rzeczywistym tworzyć antenę o dokładnie pożądanej długości, co umożliwia płynne przemiatanie szerokiego zakresu widma elektromagnetycznego bez użycia jakichkolwiek ruchomych elementów mechanicznych.
Kluczowym wyzwaniem inżynieryjnym było bezkontaktowe doprowadzenie sygnału wysokiej częstotliwości do nietrwałego słupa plazmy bez niszczenia jego struktury. Autorzy rozwiązali ten problem, konstruując bezdotykowy układ zasilający oparty na metalowym pierścieniu pełniącym rolę kondensatora. Wiązka laserowa przechodzi centralnie przez otwór pierścienia, inicjując filament plazmowy otoczony polem elektrycznym.
Generator radiowy zasila pierścień sygnałem o zadanej częstotliwości, a indukowane w ten sposób pole elektromagnetyczne pobudza plazmę bez fizycznego kontaktu, powodując wydajną emisję fal radiowych – w ramach eksperymentu z powodzeniem wyemitowano sygnał w paśmie VHF o częstotliwości 30 MHz.
Technologia ta oferuje niespotykane dotąd możliwości sterowania charakterystyką promieniowania: zmiana kąta padania promienia lasera pozwala na dynamiczne kierowanie wiązką radiową (beam steering) na potrzeby radarów lub wzmacniania odbioru z wybranych kierunków. Według prof. Paula Franzona z NC State oraz dr. Arthura Dogariu z Texas A&M i Princeton, jednym z najbardziej obiecujących obszarów wdrożenia są satelity na niskiej orbicie okołoziemskiej (LEO), gdzie w szczątkowej atmosferze wciąż znajduje się dostateczna ilość cząstek gazu do wytworzenia filamentu.
Choć dotychczasowe testy skupiały się na funkcji nadawczej, fizyczne właściwości zjonizowanego gazu wskazują, że układ z równym powodzeniem posłuży w przyszłości jako szerokopasmowy odbiornik, eliminując konieczność wynoszenia na orbitę ciężkich i podatnych na awarie anten mechanicznych.
