принцип работы и характеристики лазерного излучения
Принципы работы и механизм излучения
Лазеры – источники высококогерентного и интенсивного монохроматического излучения. Излучение генерируется за счет возбуждения активной среды (обычно газ или полупроводниковый элемент), заключенной в резонаторе. Лазерный резонатор представляет собой полое тело цилиндрической формы, изнутри покрытое отражающим слоем. Один из торцов резонатора закрыт частично отражающим зеркалом, противоположный – полностью отражающим. При накачке световые волны перемещаются внутри резонатора до тех пор, пока не станут достаточно интенсивными, чтобы пройти через частично прозрачное зеркало.
Лазерное излучение относится к вынужденному, также его называют стимулированным. Сфера применения лазеров широка и постоянно растет, на сегодняшний день лазерные источники применяются в медицине, машинном зрении, в лазерной сварке, маркировке изделий и т. д.
Основные параметры и характеристики лазерного излучения
Диаметр пучка. За диаметр пучка принимается диаметр сечения пучка лазерного излучения на выходном торце резонатора. Способов измерения диаметра пучка достаточно много, от способа зависят и единицы измерения. Если пучок принимается за Гауссов, диаметр будет измеряться по уровню интенсивности 1/e2: это расстояние между такими двумя точками одномерного распределения интенсивности излучения, значение интенсивности которых в 0.135 раз меньше пика интенсивности.
Отклонение пучка. Несмотря на то, что лазерные пучки принимаются за параллельные, некоторый угол расходимости все же присутствует. Эта характеристика показывает, на какую величину отклоняется пучок от оптической апертуры по ходу распространения и измеряется в угловых единицах (радианах). В лазерных диодах угол расходимости определяется сразу двумя значениями – так проявляется астигматизм. В этом случае направление угла расходимости нужно проверять и уточнять в зависимости от конкретной схемы. На рис. 1 показана общая конфигурация лазерного диода и проявление расходимости лазерного пучка по ходу удаления экрана от источника излучения.
Рисунок 1. Общая структура полупроводникового слоя диода: профиль пучков, излучаемых такими диодами, чаще всего эллиптический
Угол веерного пучка. Обычно за веерный угол принимается угол отклонения пучка в определенной плоскости от нормали направления распространения. На рис. 2 показан вид веерного пучка лазерного диода и приведен его расчет.
Рисунок 2. Веерный угол пучка излучения лазерного диода
Выходная мощность. Выходная мощность определяется как максимальная зарегистрированная мощность, которую имеет лазерный пучок сразу после выхода из резонатора, до прохождения через какую-либо направляющую или фильтрующую оптику. Погрешность составляет порядка 10%, поэтому в паспорте приборов указываются доверительные интервалы. Профиль распределения интенсивности выходного излучения в основном характеризуется функцией Гаусса, максимум которой приходится на центр кривой, совпадающей с максимумом выходной мощности.
Класс. Диапазон мощностей лазерных источников невероятно широк. По этой причине была разработана классификация источников по силе воздействия на человека. В таблице приведена классификация лазерных источников, предложенная Центром по контролю приборов и радиационной безопасности (CDRH).
Класс | Описание |
Класс 1 | Не представляют опасности для человека. |
Класс 1M | Безопасны при эксплуатации без дополнительных приборов. |
Класс 2 | Безопасны, если время экспозиции строго меньше 0.25 с. Для предотвращения повреждений ткани глаза рекомендуется режим естественного мигания. |
Класс 2M | Безопасны, если время экспозиции строго меньше 0.25 с и не используется дополнительная оптика. |
Класс 3R | Излучение мгновенно повреждает верхние покровы тела. Опасны для человека. |
Класс 3B | Критически опасны. Прямой контакт глаз с излучением не допустим, наблюдение за излучением возможно только в диффузно рассеянном спектре. |
Класс 4 | Чрезвычайно опасно наблюдение в том числе и диффузного спектра, риск воспламенения. |
Чувствительность / видность. Видность пятна лазерного излучения (глазом или другим приемником) зависит от соотношения сигнала к шуму. Отношение сигнал/шум рассчитывается как мощность сигнала лазера к фоновому излучению (шуму). Чем выше соотношение сигнал/шум, тем легче распознается пятно на матрице приемника. Пик чувствительности человеческого глаза приходится на длину волны 550 нм, то есть чем ближе длина волны к этому значению, тем отчетливее и контрастнее будут восприниматься сигналы глазом – это важно для приложений, использующих преимущественно видимый диапазон. В случае, если в качестве приемника берется камера, целесообразно использовать специальные фильтры, увеличивающие соотношение сигнал/шум и объективы с ограничением поля зрения. Также важно правильно подбирать диапазон излучения источника к спектральной чувствительности приемника. На рис. 3 показана относительная спектральная чувствительность глаза к различным длинам волн.
Рисунок 3. Относительная спектральная чувствительность глаза
Время работы. Время работы лазера или срок службы зависит от срока работы источника питания. Обычно источник подбирается таким образом, чтобы при минимальном напряжении лазер проработал как можно дольше. Теплопоглощающие радиаторы рекомендуется использовать при подводимых напряжениях, близким к предельно допустимым. Снижение температуры источника питания позволяет продлить срок службы излучающего прибора, который обычно составляет от 10 до 20 тысяч часов.
Комплектующие к лазерным системам
Проекционные головки. Проекционные головки устанавливаются на внешней части лазера и предназначены для формирования различных испытательных сигналов: одиночных линий, пересекающихся линий, мультиплетов и растровых матриц.
Пространственные фильтры. Пространственные фильтры предназначены для минимизации пространственного шума, причины которого многочисленны – пылинки на линзах, микронеровности, неоднородность покрытий и т. д, особенно часто они наблюдается в пучках, прошедших через линзы или объективы. Для очистки пучка применяют диафрагмы (пинхолы). Размер отверстия диафрагмы подбирается таким образом, чтобы основной лазерный пучок проходил через отверстие, а рассеянный свет сдерживался. В таком случае из пространственного фильтра выходит чистый, однородный пучок.
Лазерная оптика. Мощности лазерного излучения могут достигать высочайших пределов, что накладывает не менее высокие требования к параметрам оптических компонентов, используемых в лазерных установках: безукоризненное качество рабочих поверхностей линз и зеркал, строгие допуски и высокий порог повреждения. Перед запуском установки рекомендуется проводить экспертизу компонентов на наличие повреждений.
Измерительное оборудование. Измерительное оборудование – инструменты для проведения спецификации источников почти по любым параметрам. Наиболее часто применяются измерители мощности, визуализаторы, различные приемники излучения.
Устройства расширения пучка. В некоторых приложениях требуется произвести расширение параллельных пучков, существуют специальные приборы, которые легко справляются с этой задачей. Угол отклонения при этом останется минимальным, несмотря на увеличение диаметра.
Установка и юстировка лазерных источников
Варианты установки диода. Существует несколько способов установки и юстировки лазерных диодов: например, с помощью специализированных держателей. Благодаря установленным подвижкам, можно точно позиционировать прибор. Также существуют юстировочные платформы различных типов, которые наиболее широко применяются для юстировки диодов, применяемых для накачки He-Ne лазеров. Необходимо помнить, что диоды очень чувствительны к перепадам температур, поэтому рекомендуется использовать теплоизолирующие системы.
Юстировка и позиционирование. В паспорте любого прибора содержатся все необходимые сведения и интервалы, рекомендуемые к соблюдению при юстировке, так называемая «точность наведения». Точность наведения – это угловая разность между осью распространения (вдоль которой проходит лазерный пучок) и механической осью (определяется геометрией корпуса). Контроль этих допусков часто осуществляется специальными регулировочными винтами. Рисунок 4 демонстрирует влияние ошибки точности наведения в лазере.
Рисунок 4. Ошибка наведения в лазере
Замечание. Если используется V-образная платформа, то для численной оценки точности наведения лазерной установки достаточно просто вращать корпус. Пока ошибка не будет устранена, пятно на экране будет описывать траекторию окружности. Соотношение между радиусом окружности и расстоянием от выходного зрачка до экрана и является угловой мерой ошибки наведения (на рис. 4 проиллюстрирована ошибка наведения, D – расстояние от выходного зрачка до экрана, R – радиус окружности). Оценив угол, остается повернуть источник на этот угол и перейти к следующему этапу.
Лазерные диоды и He-Ne лазеры
Подбирая источник, многие сталкиваются с выбором между диодным источником и He-Ne лазером. Разумеется, выбирая тот или иной источник, необходимо следовать требованиям конкретного приложения, конкретной установки. Ниже приведена сравнительная таблица основных параметров He-Ne лазеров и лазерных диодных модулей.
| Характеристики | He-Ne лазер | Диод |
Рабочая длина волны | 632.8 нм | 405 нм, 488 нм, 514 нм, 532 нм, 635 нм, 640 нм, 655 нм, 660 нм, 670 нм, 780 нм, 785 нм, 808 нм, 830 нм, 850 нм, 1064 нм |
Размер (в корпусе) | Крупногабаритные приборы (7~25”), трудно перемещать с места на место | Компактные, легковесные, просты в переносе и сервисном обслуживании |
Размер пучка | ~0.5 – 1 мм (круглый профиль) | ~2.5 – 5 мм Круглый или эллиптический профиль |
Выходная мощность | 0.25 – 22.5 мВт | 1 – 100 мВт |
Расходимость пучка | ~1 – 2 мрад | ~0.5 – 1 мрад |
Модуляция мощности | Нераспространенная функция | Присутствует в системах специального назначения |
Стабилизация соотношения сигнал/шум | Высокая стабилизация | Сигнал зашумлен |
Стоимость | Относительно высокая (длительный срок службы) | Относительно низкая (легко заменяемы) |
Срок службы | 10 – 40 тыс. часов в зависимости от модели | 10 – 20 тыс. часов в зависимости от модели |
Восприимчивость ко внешним условиям | Нечувствительны к перепадам температур | Длина волны и срок службы меняется в зависимости от условий и температур (рекомендуется теплоотвод) |
Ассортимент комплектующих | Генераторы испытательных сигналов (преломляющие, дифракционные), и многое другое. Практически все комплектующие совместимы и легко встраиваются. |
Фокусирующая оптика, генераторы испытательных сигналов и др. Замена внутренних компонентов осложнена особенностями конфигурации самого диода. |
Астигматизм | Фокальное пятно «расплывается» симметрично относительно точки фокуса | Фокальное пятно «расплывается» симметрично относительно точки фокуса либо эллиптически в перпендикулярном направлении |
Длина когерентности (важно в голографии, интерферометрии) | 20 – 30 см | Несколько миллиметров |
Поляризация (важна при выстраивании траектории) | Возможно любое состояние поляризации, в том числе линейное | Обычно излучение сильно поляризовано |
Встраивание и интеграция | Источник питания поставляется как в комплекте, так и отдельно от лазера | Встраивание и подключение в основном через широкополосные выводы |
Основные приложения | Голография, интерферометрия, метрология | Юстировка, машинное зрение, сканирование, анализ состава среды |
© Edmund Optics Inc.
Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции Edmund Optics на территории РФ
Высокоскоростное измерение лазерного излучения высокой мощности
Б. Ньюманн, С. Райт Artifex Engineering, Германия
* Статья опубликована в журнале Фотоника № 1 / 69 / 2018
ФУНКЦИОНАЛЬНОСТЬ ОПРЕДЕЛЯЮТ ДАТЧИКИ
Измерение оптической мощности лазерного излучения основано на использовании датчиков, преобразующих оптическую мощность в измеряемое напряжение или силу тока. Физические принципы, заложенные в основу работы датчика, определяют функциональность всего измерительного устройства. Для измерения мощности лазерного излучения используют два типа стандартных датчиков:
|
Тип датчика |
Физические принципы |
Описание |
|---|---|---|
|
Фотодиод |
Электронно-дырочная генерация |
Генерация неравновесных электронно-дырочных пар происходит вследствие поглощения фотонов в полупроводниковом материале. Внешняя электрическая цепь, подключенная к устройству, обеспечивает циркуляцию тока неравновесных носителей заряда в системе. Величина тока пропорциональна поглощенной оптической мощности. |
|
Термопара |
Эффект Зеебека |
Устройство, изготовленное с использованием двух различных металлов, соединенных между собой в двух отдельных точках. Вследствие разности температур между этими точками возникает напряжение. Такое устройство называется «термопара». |
СЕНСОРЫ НА ОСНОВЕ ТЕРМОПАРЫ
Термоэлемент представляет собой датчик, состоящий из массива термопар. Отдельные термопары соединены термически параллельно, но в электрической цепи они представляют собой последовательное соединение. Такое соединение имеет важное практическое значение для повышения чувствительности измерительного устройства, так как чувствительность (V/°C) одной термопары крайне низкая.
Рис.1. Детекторы лазерной мощности: a) – термопары; b) – термоэлементы
Поверхность детектора покрыта черным абсорбирующим материалом. Назначением такого покрытия является максимальное поглощение мощности падающего лазерного излучения, независимо от его длины волны.
С учетом этих фактов становится очевидным, что конструкция термопары имеет следующие характеристики:
- Термопары имеют низкую чувствительность к световому излучению.
- Термопары должны быть изолированы от внешних источников тепла, которые вносят ошибку в результаты измерений. Типичными внешними источниками тепла могут быть: циркулирующий воздух от приборов, охлаждаемых вентилятором, или даже рука оператора, положенная к головке датчика. Это ограничивает до нескольких милливатт нижний диапазон измеряемой мощности. С другой стороны, термопары являются идеальным инструментом для измерения высокой мощности, если поверхность датчика не повреждена, а тепло может быть отведено посредством воздушного или водяного охлаждения.
- Материал абсорбента является определяющим фактором для точности измерений оптической мощности. Однако следует помнить, что с течением времени покрытие стирается, что ведет к необходимости повторной калибровки.
- Термопары очень медленно реагируют на измерения, основанные на изменении теплового потока. Среднее время отклика варьируется от одной до нескольких секунд.
СЕНСОРЫ НА ОСНОВЕ ФОТОДИОДОВ
Фотодиод представляет собой полупроводниковое устройство, конструкция которого подразумевает наличие двух электродов (анода и катода), между которыми возникает градиент электрического потенциала. Каждый электрод через тонкие провода соединен с двумя выходными контактами. Поскольку эта конструкция чувствительна к механическим воздействиям, то устройство заключено в металлический корпус с защитным прозрачным окном, через которое может проникать излучение.
Рис. 2. Принцип работы фотодиода [2] Рис. 3. Схема фотодиода [3]
Рассмотрим функциональные свойства фотодиода, связанные c особенностями его конструкции:
-
Фотодиод обладает высокой чувствительностью к возбуждающему излучению, поскольку происходит прямое преобразование падающих фотонов в электроны. Обычно квантовая эффективность фотодиодов может быть близкой к 100%. Это позволяет измерять низкую мощность светового потока вплоть до фемтосекундного диапазона. Сверху диапазон измеряемых величин мощности ограничен несколькими милливаттами, выше которых фотодиод переходит в режим насыщения, и генерируемый ток уже перестает расти пропорционально энергетическому световому потоку. -
Приемная чувствительная площадка сенсора выполнена из полупроводникового материала. Кремний – материал, который чаще всего используется для регистрации излучения видимого диапазона, так как он имеет низкую себестоимость. Однако Ge и InGaAs, столь необходимые для создания фотодиодов для ближней ИК-области, в противоположность Si являются дорогостоящими. Также датчики сильно ограничены по своим размерам. -
Так как приемная поверхность датчика плоская, то устройство представляет собой в некоторой степени зеркало. Полупроводниковые материалы имеют высокий показатель преломления, что приводит к частичному отражению входящего светового потока. Это вносит затруднения в точность измерений.
Защитное окно действует как фильтр: в зависимости от угла и положения падающего луча относительно чувствительной площадки фотодиод может проявлять разную интегральную чувствительность [3].
Может показаться, что фотодиод не подходит для измерений высокомощных лазерных источников, так как площадь сечения высокомощного лазерного пучка превышает чувствительную площадку детектора, и диапазон измерений детектора ограничен значением величины мощности в несколько милливатт. Поэтому многие пользователи идут на компромисс и просто используют термоэлектрические датчики.
Но как поступить, если для работы одновременно требуются высокое разрешение, широкий динамический диапазон и высокая скоростью вывода данных?
ИНТЕГРИРУЮЩИЕ СФЕРЫ
Интегрирующая сфера – это измерительное средство, лишенное недостатков фотодиодов и термоэлементов, о которых сказано выше. Это пассивное метрологическое средство измерений, содержащее полый шар с отверстиями («порты»), которые позволяют лазерному излучению проникать внутрь него и легко его покидать.
Рис. 4. Принцип работы интегрирующей сферы
Внутренняя поверхность шара имеет покрытие, обладающее высоким коэффициентом отражения в измеряемом диапазоне длин волн. Внутри сферы происходит равномерное распределение падающего лазерного излучения по всей поверхности сферы с помощью многочисленных сильно рассеивающих отражателей.
Полые сферы, изготовленные из специального полимера, подходят для измерений в диапазоне длин волн от 250 нм до 2,5 мкм. Алюминиевые сферы, покрытые сульфатом бария (BaSO4), несколько дешевле аналогов, но со временем покрытие приобретает желтую окраску, и следовательно, сферы становятся непригодными для высокоточных измерений мощности лазера. Для измерения мощности излучения в диапазоне длин волн 700 нм – 20 мкм используют сферы с шероховатой металлической поверхностью, покрытой золотом. В этот спектральный диапазон попадает излучение, генерируемое многими типами лазе-ров высокой мощности. Поэтому твердая медь или алюминий подходят в качестве хорошего материала теплопроводящей подложки интегрирующих сфер.
Рис.5. Комбинация сферы с фотодиодом и оптоволоконным портом
В боковую стенку интегрирующей сферы встроен фотодиод. Он регистрирует только часть лазерной мощности, попадающей в сферу. При этом характеристики падающего на датчик света отличаются от характеристик того излучения, которое падает на сферу:
-
Плотность мощности излучения получается полностью однородной. -
Излучение не поляризовано, даже если входное излучение поляризовано. -
Входная мощность сильно ослабляется.
Мы видим, что комбинация интегрирующей сферы и фотодиода позволяет спроектировать лазерный датчик мощности, обладающий преимуществами и фотодиода, и интегрирующей сферы. Подобный датчик может реагировать так же быстро, как фотодиод, и проводить измерения в широком диапазоне значений мощности, как интегрирующая сфера. Меняя размер интегрирующей сферы, можно изменять общую чувствительность системы. Кроме того, чувствительность детектора теперь не зависит от неоднородности плотности мощности и от поляризации излучения, генерируемого лазером. Детектор также не зависит от взаимного расположения падающего луча и поверхности приемной чувствительной площадки детектора, а также от угла падения на нее лазерного излучения.
Интегрирующую сферу можно использовать для измерений пучков с сечениями относительно больших диаметров, поскольку размер приемной площадки фотодиода в этом случае не будет проявлять себя как ограничивающий фактор. Плотность мощности излучения, попадающего на внутреннюю стенку сферы, также значительно меньше той, что попадает на поглощающий термоэлемент. Причина в том, что общая площадь внутренней поверхности сферы, по меньшей мере, в 20 раз больше площади входной апертуры. Таким образом, материал стенки может выдерживать более высокую плотность мощности, и со временем это качество существенно не изменяется.
В боковой части сферы дополнительно могут быть расположены иные измерительные порты, что дает преимущества иного рода. Например, волоконно-оптический порт может использоваться для одновременного измерения спектрального состава излучения лазера.
ПРИМЕРЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
В качестве примера использования интегрирующей сферы для измерений рассмотрим практику измерений флуктуаций мощности дискового лазера мощностью 5 кВт. Данный твердотельный лазер используется для обработки материалов. Измерительное устройство представляет собой интегрирующую сферу – медный шар диаметром 200 мм с золотым покрытием и с водяным охлаждением. Поскольку при таких высоких уровнях мощности происходит нагрев интегрирующей сферы, фотодиод требуется установить вне сферы – изменение температуры самого фотодиода может привести к снижению точности измерений мощности. Сфера была оснащена оптоволоконным портом SMA типа, который подключается к соответствующему порту измерителя мощности. Полная система (сфера-волокно-фотодиод) была предварительно откалибрована как единая измерительная установка измерения мощности. Счетчик мощности питается от USB и контролируется. Этим ограничивается число кабелей, используемых в измерениях (один USB-кабель и две линии подачи воды).
Рис.6-7. Установка интегрирующей сферы и измерителя мощности внутри кабины обработки
Рис. 8. Рабочая измерительная установка (вид через смотровое окно).
Обратите внимание на пирографическую камеру, показывающую температуру поверхности сферы (42 °C)
При использовании измерительной установки было обнаружено, что мощность лазера обладает высокой стабильностью, вплоть до величин 2500Вт. Однако когда мощность излучения возрастает до 5000Вт, наблюдалась долговременная флуктуация около 1,5%.
Рис.9. Результаты измерений мощности при Р = 2,5 кВт и Р = 5 кВт
Кроме того, в выходной мощности присутствуют колебания амплитуды, они составляют около 0,7%. Обращаем внимание, что эти более быстрые флуктуации зависят от временного масштаба, который не может быть измерен с помощью термоэлемента.
Рис.10. Расширенное представление результатов (см. рис. 9) измерения мощности при 5 кВт
ВЫВОДЫ
Интегрирующая сфера в сочетании с фотодиодом представляет собой практически идеальный датчик для измерения лазерной мощности. При работе с высокомощными лазерами эта комбинация позволяет обнаружить колебания рабочих параметров, которые для термоэлектриче-ского детектора незаметны вследствие слишком длительного временного отклика. С помощью подобной системы можно обнаружить колебания во время работы непрерывных лазерных источни-ков, переходные процессы и флуктуации мощности при запуске лазера, а также кратковременные падения мощности во время работы.
Кроме того, поскольку измерение практически не зависит от величины расходимости пучка, интегрирующие сферы могут использоваться для таких лазерных измерений, как пропускание и отражение на преломляющих и рассеивающих объектах. Например, интегрирующую сферу можно использовать для измерения передачи лазерно-свариваемых пластиковых материалов для определения оптимальных рабочих параметров сварочного лазера.
Литература
1. http://bildungsserver.hamburg.de/physik/unterricht/experimente/2584640/00522-thermosaeule/.
2. «Pin-Photodiode» from Kirnehkrib – own work. Licenced under CC BY-SA 3.0 by Wikimedia Commons – https://commons.wikimedia.org/wiki/File: Pin-Photodiode.png#/media/File: Pin-Photodiode.png.
3. Boivin L. P. – Appl. Opt., 1982, v.21(5), p.918–923.
|
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Новый рекордный лазер поможет заглянуть в космос и вылечить рак
Физики создали лазерный луч невероятной интенсивности. Они как будто сфокусировали весь достигающий Земли солнечный свет в пятно, которое многократно меньше сечения человеческого волоса. Долгожданный рекорд сулит прорывы во многих областях, от фундаментальной физики до лечения рака.
Лазеры давно вошли в наш быт (вспомним, например, о лазерных указках или компакт-дисках) и стали верными помощниками на производстве. Вместе с тем лазеры остаются незаменимым научным инструментом. С их помощью можно манипулировать отдельными клетками, изучать антиматерию, воссоздавать условия планетарных недр и грандиозных космических взрывов, а также делать множество других интересных вещей.
Разумеется, простор для экспериментов с лазерным излучением ограничивается возможностями самих лазеров. Поэтому физики неустанно работают над тем, чтобы сделать эти излучател мощнее, быстрее или лучше ещё в каком-нибудь смысле.
Солнце на волоске
Один из важных параметров лазера – поток излучения, или, как его иногда называют, интенсивность. Это мощность излучения, падающая на единицу площади облучаемой поверхности. Именно по этому показателю был достигнут недавний рекорд.
Напомним, что мощность излучения, измеряемая в ваттах, – это энергия, выделяемая в единицу времени. Повысить мощность лазерного луча можно, либо взяв более впечатляющий источник энергии, либо испуская луч как можно более короткими импульсами, чтобы «упаковать» выделенную энергию в краткий миг.
Наращивать энергопотребление установки – сложная задача. Никто не будет строить Братскую ГЭС ради одного лазера, да и «переварить» гигантскую энергию не так просто. Именно поэтому рекордная мощность лазеров, работающих в непрерывном режиме, составляет «всего» несколько мегаватт. Зато за счёт сокращения продолжительности импульса до пико- или фемтосекунд можно увеличить мощность в одном импульсе до нескольких петаватт (1015, или тысяча триллионов, ватт).
Лазер в Центре релятивистских лазерных исследований Института фундаментальных наук в Республике Корея эксплуатируется с 2016 года. Он генерирует импульсы мощностью в четыре петаватта. По нынешним временам это уже не рекорд, но более мощные установки можно пересчитать по пальцам.
Учёные, работающие с этим инструментом, в течение нескольких лет трудились над системой максимально точной фокусировки излучения. В итоге они уменьшили диаметр луча с 28 сантиметров до одного микрометра (менее 2% от толщины человеческого волоса). Таким образом, теперь вся огромная мощность лазера приходится на участок мишени
В новом эксперименте лазер течение восьми секунд испустил 80 импульсов длительностью в несколько фемтосекунд (10-15, или тысячная доля триллионной доли секунды) и мощностью в четыре петаватта. В среднем за эти восемь секунд на крошечный (порядка 10-16 см2) облучаемый участок мишени пришлась мощность порядка 10 мегаватт. В пересчёте на квадратный сантиметр она составила 1023 ватт. Другими словами, интенсивность излучения достигла 1023 Вт/см2.
Это вдесятеро больше предыдущего рекордного значения, достигнутого почти двадцать лет назад в США. Представить себе масштабы рекорда поможет такая аналогия: подобную интенсивность можно получить, если весь достигающий Земли солнечный свет сфокусировать в луч диаметром 10 микрометров.
Система корректировки луча направила всю мощность лазера на крошечное пятнышко.
Луч надежды
Эксперименты с лазерным излучением такой интенсивности могут обеспечить прорыв во многих областях, от фундаментальной физики до медицины.
Самый широкий простор открывается для физиков, исследующих взаимодействие света и вещества. Они наконец смогут экспериментально проверить многие идеи, высказанные теоретиками уже около века назад. До сих пор не было технической возможности проделать нужные опыты, а теперь она появилась.
Новое достижение заинтересует и астрономов. Они смогут проверить свои гипотезы о происхождении космических лучей высоких энергий – таинственных частиц, приходящих с просторов Вселенной. Споры об их природе ведутся уже многие десятилетия.
Как ни удивительно, достижение может подарить новую надежду больным раком. Дело в том, что в последнее время бурно развивается протонная лучевая терапия – облучение раковой опухоли ускоренными протонами. Сегодня для этого используются обычные ускорители частиц, а это очень дорогие установки. Возможно, что с помощью мощных лазеров будет куда проще получать ускоренные протоны. Их источники станут дешевле, а значит, лечение будет доступнее для пациентов. Эксперименты с лазером рекордной интенсивности могут проложить дорогу этой технологии.
Подробности исследования изложены в научной статье, опубликованной в журнале Optica.
Больше новостей из мира науки вы найдёте в разделе «Наука» на медиаплатформе «Смотрим».
Лазерное излучение | Измерение лазерного излучения
Измерение мощности лазерного излучения, создаваемого отдельной технологической установкой (аппаратом), конечно же, замеряется всегда при приемке его, и соответствующий показатель заносится в сопроводительные документы. Однако в условиях конкретного рабочего места, под действием различных факторов, импульсы могут становиться менее или более опасными для персонала и сооружений, для различной техники и имущества.
Да и степень износа, особенности настройки, также могут повлиять на параметры работы лазерного оборудования. Потому замеры интенсивности создаваемого им луча должны проводиться перед началом работ, а впоследствии — неоднократно повторяться при любом изменении технологического процесса или иных значимых факторов.
Используемое оборудование
Широко распространены пироэлектрические сенсоры — они вряд ли позволят сделать замеры освещенности, но зато прекрасно справляются с оценкой энергии, выпускаемой импульсными лазерами. Суть такова:
- при падении излучения ферроэлектрический кристалл нагревается;
- в нем изменяется дипольный момент;
- и, как следствие, появляется электрический ток;
- собственную емкость кристалла используют в интегрирующей цепи;
- по амплитуде сигнала можно судить о величине энергии импульса (составив простейшую пропорцию).
Сенсоры, в свою очередь, делятся на классы — одни позволяют обрабатывать очень слабые импульсы, другие работают с сигналами высокой частоты и так далее. В нашей экспертной лаборатории “Экостар” есть все необходимые виды оборудования, что позволяет дать характеристику любому промышленному лазеру и точно оценить безопасность его использования. Найдутся также измерительные средства, позволяющие охарактеризовать работу ультрафиолетовых, рубидиевых и гольмиевых оптических квантовых генераторов.
Практические параметры
Большое значение имеет не только мощность испускаемого сигнала, но и расходимость пучков излучения (ее устанавливают, замеряя сечение пучка в максимально дальней точке рабочей дистанции). Применяя математический аппарат, просчитывают сечения и проекции, устанавливают моменты различных порядков.
По степени опасности лазеры делят на семь классов, и только первый из них считается совершенно безопасным при типовых условиях использования. Ко второй группе относятся те приборы, которые допускают безопасное облучение на протяжении максимум четверти секунды. Категория 2М создает расширенный луч, на который вообще нельзя смотреть, недопустимо использовать и любые оптические приборы. 3R — это обозначение, которое требует ограничивать допустимый уровень излучения, предотвращать случайные отражения и прерывать создаваемый луч в конечной точке.
Если результаты замеров показывают принадлежность лазера к группе 3В, то нужно обязательно носить специальные очки, а при особенно интенсивном использовании — также и защитные перчатки. Участки, могущие подвергнуться действию луча, должны быть промаркированы знаками установленного образца, из рабочей области убираются взрывоопасные и легковоспламеняющиеся вещества.
Воздействие на природу
Как и замеры шума, промеры лазерного излучения бывают необходимы для оценки вероятного действия на окружающую природную среду и заселяющие ее организмы. Те же лазерные дальномеры, скажем, широко используются в полевых условиях и потенциально могут нанести вред различным наземным животным, птицам и насекомым. Соответствующий риск обязательно просчитывается и тогда, когда происходит разработка ОВОС на объектах, где используют (предполагают использовать) стационарные квантовые генераторы отдельных типов.
Наша компания сконцентрировала в штате ряд специалистов, могущих оценить воздействие на природу всевозможных факторов, присутствующих на производственных объектах. Мы гарантируем, что исключены какие бы то ни было фактические или методические ошибки при подготовке документации, окажем поддержку в регистрации разрешительных пакетов документов в государственных органах экологического надзора. Как следствие, значительно упрощается деятельность производственных организаций, им больше нет необходимости сталкиваться с препятствиями при попытках самостоятельно преодолеть бюрократические барьеры Росприроднадзора и иных ведомств.
Измерители мощности лазерного излучения | Статья в журнале «Молодой ученый»
Библиографическое описание:
Поезжалов, В. М. Измерители мощности лазерного излучения / В. М. Поезжалов, Д. Н. Агеев. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2020. — № 14 (304). — С. 5-8. — URL: https://moluch.ru/archive/304/68478/ (дата обращения: 25.11.2021).
В статье описаны методы измерения мощности лазерного излучения. Подробно рассмотрены наиболее распространённые способы, существующие сегодня, принцип работы которых базируется на преобразовании энергии излучения лазера в электрический ток, а также в тепловую и механическую энергии.
Ключевые слова: лазерное излучение, мощность, энергия.
Лазерная промышленность неуклонно развивается, применяя новые длины волн, более высокие мощности. Базовая технология измерения мощности и энергии лазера не изменилась за последние десятилетия. Существует три основных способа измерения мощности и энергии лазера.
Первым типом лазерного измерительного устройства является тепловой детектор, который измеряет количество тепла, проходящего через детектор, путем его теплового воздействия на матрицу термопар. Этот тип детектора работает следующим образом: когда лазерный луч падает на центральную область диска датчика, то тепло распространяется радиально к охлажденной периферии, как показано на рисунке 1. Поскольку общее количество тепла, проходящего через кольцо термопар, не зависит от размера или положения луча, то до тех пор, пока лазерный луч находится в области термопар, показания будут полностью независимы от размера и положения луча.
Измеритель тепловой мощности измеряет не абсолютную температуру датчика, а перепад температуры по всему датчику. Поэтому показания прибора совершенно не зависят от температуры окружающей среды. Если температура охлажденной периферии повышается, то соответственно повышается и температура внутренней части датчика, и падение температуры — следовательно, показания — остаются тем же самыми.
Тепловой способ измерения лазерного излучения практически не зависит от длины волны, достаточно надежен, поэтому является основой измерения мощности и энергии лазера. Однако он не может измерять повторяющиеся импульсы или очень низкие мощности и энергии.
Второй тип измерительного устройства-фотодиодный детектор, преобразующий свет, падающий на фотодиод, в электрический ток. Эти детекторы фотодиода основаны на полупроводниковом p-n-переходе. Когда фотоны света с энергией, превышающей характеристическую энергию запрещенной зоны фотодиода, попадают в детектор, они создают электронно-дырочную пару, которая образует пропорциональный ток. Спектральная чувствительность такого детектора показана на рисунке 2.
Рис. 2. Спектральная чувствительность
Поскольку на каждый фотон образуется только один электрон, то чем короче длина волны, тем менее эффективен детектор (высокоэнергетичный фотон с короткой длиной волны образует столько же тока, сколько низкоэнергетичный фотон с большей длиной волны). На рисунке 2 видно, что с увеличением длинны волны эффективность резко падает.
Фотодиодные детекторы достаточно чувствительны, имеют широкий динамический диапазон и высокую линейность при низких мощностях. Однако они очень сильно зависят от длины волны, как показано на графике, что требует калибровки в полном диапазоне длин волн. Они также насыщаются при низких мощностях, становясь нелинейными. Поэтому этот тип измерителя мощности в основном предназначен для низких мощностей. Без дополнительных фильтров, они линейны до нескольких мВт и с фильтрами они могут измерять до 3 Вт.
Третий тип детектора – пироэлектрический детектор, состоящий из кристалла, который поляризуется при нагревании. Эти детекторы работают следующим образом. Когда импульс света попадает на поглощающую поверхность детектора, он нагревается и поляризует пироэлектрический кристалл, создавая таким образом равный и противоположный заряд на двух поверхностях детектора. Поверхность детектора металлизирована так, что заряд собирается на параллельном конденсаторе независимо от того, где лазерный луч попадает на поверхность. Заряд на конденсаторе, таким образом, пропорционален энергии импульса. После окончания импульса напряжение на конденсаторе считывается, и конденсатор разряжается электронным способом, чтобы быть готовым к следующему импульсу.
Пироэлектрические детекторы особенно могут быть применены для повторяющихся импульсов и могут измерять до тысячи импульсов в секунду. Они также довольно чувствительны, но не особенно долговечны и поэтому для более высоких энергий и мощности, Лазерный луч проходит через диафрагму, которая помещается перед кристаллом датчика, чтобы снизить энергию на пироэлектрическом кристалле.
Четвертый тип – это пондемоторные измерители мощности лазерного излучения. Излучение падает на тонкую приемную металлическую пластину и соответственно давит на нее. Давление измеряется чувствительным преобразователем. Самое широкое применение имеют крутильные весы — является классическим прибором для измерения сверхмалых сил.
Схема устройства приведена на рисунке 4.
Подвес 1, в нем находится коромысло 2 с приемником 3, противовес 4, зеркало 5 располагается в вакуумированной камере. Когда излучение попадает на приемное крыло, подвижная система отклоняется на некий угол, а именно величину, по которой уже можно судить о значении оптической мощности. Крюк 6 необходим для того, чтобы прикрепить груз при калибровке. С помощью такого метода есть возможность измерить мощность лазерного излучения, начиная с единицы миливатт, а энергию импульсов в десятые доли джоуля.
Лазеры и лазерные системы стали более точными, а системные требования к точной мощности или энергии стали более требовательными. Если раньше допустимой было измерение мощности ± 10 %, то сегодня во многих случаях широко требуется управлять лазерным устройством с абсолютной точностью ± 5 % и стабильностью ±1 % или выше. Сегодня существуют приложения, которые должны измерять стабильность пульса с точностью до 0,2 %.
Точность измерения мощности или энергии в настоящее время обычно оценивается как ±3 %, а в некоторых случаях и выше. Стабильность некоторых счетчиков энергии лучше, чем 0,2 %.
В заключение приведем плюсы и минусы рассмотренных методов.
К основным плюсам теплового метода относят весьма широкий спектральный диапазон измерения, надежность измерительных средств. В тепловых измерителях достигли самую высокую точность измерения мощности. К минусам относят очень малое быстродействие, чувствительность.
В приборах, которые основаны на фотоэлектрическом действии, достигаются максимальное быстродействие, чувствительность. Это позволяет использовать их вплоть до наносекундного диапазона. К недостатками этих приборов относится узкий спектральный диапазон, невысокий верхний предел измерения мощности и большая погрешность измерений, которая достигает 4–29 % по сравнению с тепловыми приборами.
К положительной стороне пондеромоторного метода относят высокий верхний предел измерения мощности излучения. Главный минус — весьма жесткие требования к условиям эксплуатации в особенности к вибрации
Литература:
- Неволин В. Н., Менушенков А. П., Петровский В. Н. Физические основы лазерной технологии. — НИЯУ МИФИ, 2010.
- Рассел Д. Волоконный лазер. — М.: Научная литература, 2012.
- Алексеев Ю., Орда-Жигулина М., Чередникова С. Исследование динамики модулируемых полупроводниковых лазеров. — М.: LAP Lambert Academic Publishing, 2013.
- Maiman T. The Laser Odyssey. Laser Pr.,2000.
- Басов Н. Ж., Зуев В. С., Кириллов Ж. Monoimpilˊsnyi fotodissotsionnyi lazer na energiyu — М.: Physics Institute Publ., 1992.
Основные термины (генерируются автоматически): лазерное излучение, Лазерный луч, детектор, длина волны, измерение мощности, мощность, энергия лазера, пироэлектрический кристалл, спектральная чувствительность, электрический ток.
Повышение пиковой мощности импульсного источника лазерного излучения с применением кольцевой волоконной линии задержки | Алексеев
1. Власов, С.Н. Уширение спектра и сжатие мощных лазерных импульсов в квазипериодических системах с кубической нелинейностью / С.Н. Власов, Е.В. Копосова, В.Е. Яшин // Квантовая электроника. 2012. – Т. 42, № 11. – С. 989–995. DOI: 10.1070/QE2012v042n11ABEH014979
2. Mourou, G.A. Exawatt-Zettawatt pulse generation and applications / G.A. Mourou [et al.] // Optics Communications. – 2012. – Vol. 285. – P. 720–724. DOI: 10.1016/j.optcom.2011.10.089
3. Обронов, И.В. Твердотельный усилитель на основе кристалла Yb: YAG с одномодовой лазерной накачкой на длине волны 920 нм / И.В. Обронов, А.С. Демкин, Д.В. Мясников // Квантовая электроника. – 2018. – Т. 48, № 3. – С. 212–214. DOI: 10.1070/QEL16605
4. Фирстов, С.В. Висмутовый волоконно-оптический усилитель для спектральной области 1600– 1800 нм / С.В. Фирстов [и др.] // Квантовая электроника. – 2015. – Т. 45, № 12. – С. 1083–1085. DOI: 10.1070/QE2015v045n12ABEH015962
5. Motes, A. Laser beam combining / А. Motes // Rio-Rancho: AM Photonics. – 2015. – 132 p.
6. Сумматор оптического излучения. Н.И. Бушмелев, В.Н. Кривошеин, С.Л. Погорельский, А.В. Сбродов, В.Ф. Лазукин, А.Г. Шипунов. – Патент России № 2182346. – 2002.
7. Lei, C. Incoherent beam conbining of fiber lasers by an all-fiber 7×1 signal combiner at a power level of 14 kW / С. Lei [еt al.] // Optics Express. – 2018. – Vol. 26, no. 7. – P. 10421–10427. DOI: 10.1364/OE.26.010421
8. Алексеев, В.А. Повышение пиковой мощности источника импульсного лазерного излучения с применением оптических линий задержки / В.А. Алексеев, А.С. Перминов, С.И. Юран // Оптический журнал. – 2018. – Т. 85, № 12. – С. 8–14. DOI: 10.17586/1023-5086-2018-85-12-08-14
9. Brignon, A. Coherent laser beam combining / A. Brignon // Weinheim: Wiley-VCH. – 2013. – 509 p.
10. Yang, Y. Multi-aperture all-fiber active coherent beam combining for free-space optical communication receivers / Y. Yang [et al.] // Optics Express. – 2017. – Vol. 25, № 22. – P. 27519–27532. DOI: 10.1364/OE.25.027519
11. Трикшев, А.И. Фазировка двух усилительных каналов при когерентном сложении лазерных пучков суммарной мощностью 60 Вт / А.И. Трикшев, Ю.Н. Пырков, В.Б. Цветков // Квантовая электроника. – 2017. – Т. 47, № 11. – С. 1045–1048. DOI: 10.1070/QEL16433
12. Алексеев, В.А. Источник импульсного лазерного излучения на кольцевой волоконной задержке / В.А. Aлексеев, М.Р. Зарипов, Е.А. Ситникова // Прикладная оптика–2018: сборник трудов XIII Международной конференции (Санкт-Петербург 19–21 декабря 2018). – Том 2. – Секция 5. Лазерная техника. – С. 27–29.
13. Волоконно-оптическая техника: современное состояние и новые перспективы / Под ред. С.А. Дмитриева и Н.Н. Слепова. – М.: Техносфера, 2010. – 608 c.
Laser Power — обзор
3.4.4.3.4 Эксперимент по оптимизации параметров обработки
Мощность лазера, скорость сканирования и толщина среза являются очень важными технологическими параметрами в процессе формования SLS, которые имеют большое влияние на свойства формования части. Таким образом, оптимальное сочетание мощности лазера, скорости сканирования и толщины среза достигается в трехфакторном и трехуровневом ортогональном эксперименте. Эксперимент по ортогональному спеканию проводится на PA / Al (50/50), при этом проводится исследование влияния мощности лазера, скорости сканирования и толщины среза на прочность спеченных деталей на изгиб.В ортогональном эксперименте разработаны три основных экспериментальных фактора, каждый из которых имеет три уровня. В таблице 3.53 перечислены три уровня этих трех факторов. Экспериментальные данные представлены в таблице 3.54.
Таблица 3.53. Таблица уровней факторов.
| Уровень фактора | ||||
|---|---|---|---|---|
| Факторы | Уровень 1 | Уровень 1 | Уровень 1 | |
| 1 | Скорость сканирования | 1500 | 2000 | 2500 |
| 2 | Мощность лазера | 20 | 17.5 | 15 |
| 3 | Толщина среза | 0,08 | 0,10 | 0,12 |
Таблица 3.54. Ортогональный экспериментальный план и результат.
| Номер испытания | Мощность лазера (Вт) | Скорость сканирования (мм / с) | Толщина среза (мм) | Прочность на изгиб (МПа) |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 20 | 1500 | 0,08 | 92.44 |
| 2 | 20 | 2000 | 0,1 | 94,05 |
| 3 | 20 | 2500 | 0,12 | 84,36 |
| 4 | 17,5 | 1500 | 0,1 | 75,10 |
| 5 | 17,5 | 2000 | 0,12 | 85,00 |
| 6 | 17,5 | 2500 | 0,08 | 84.18 |
| 7 | 15 | 1500 | 0,12 | 79,22 |
| 8 | 15 | 2000 | 0,08 | 87,17 |
| 9 | 15 | 2500 | 0,1 | 71,81 |
Сначала данные анализируются визуально для расчета диапазона R . Конкретные данные приведены в таблице 3.55. Метод расчета включает следующие этапы: введение с использованием первого столбца, в котором в качестве примера расположены коэффициенты мощности лазера.Обозначение результата соответствующего i -го номера теста как y i и K 1 в первом столбце представляет собой сумму трех результатов теста, соответствующих уровню «1» в столбце, которое показано в формуле (3.17),
Таблица 3.55. Таблица интуитивного анализа экспериментальных результатов.
| Столбцы | 1 | 2 | 3 | |
|---|---|---|---|---|
| Факторы | Мощность лазера | Скорость сканирования | Толщина среза | Результаты экспериментов |
| Эксперимент 1 | 1 | 1 | 1 | 92.44 |
| Эксперимент 2 | 1 | 2 | 2 | 94,05 |
| Эксперимент 3 | 1 | 3 | 3 | 84,36 |
| Эксперимент 4 | 2 | 1 | 2 | 75.01 |
| Эксперимент 5 | 2 | 2 | 3 | 85 |
| Эксперимент 6 | 2 | 3 | 1 | 84.18 |
| Эксперимент 7 | 3 | 1 | 3 | 79,22 |
| Эксперимент 8 | 3 | 2 | 1 | 87,17 |
| Эксперимент 9 | 3 | 3 | 2 | 71,81 |
| Среднее значение k 1 | 90,283 | 82,223 | 87,930 | |
| Среднее значение k 2 | 81.397 | 88,740 | 80,290 | |
| Среднее значение k 3 | 79,400 | 80,117 | 82,860 | |
| Диапазон R | 10,883 | 7000 (3,17) K1 = y1 + y2 + y3 = 92,44 + 94,05 + 84,36 = 270,85 K 2 в первом столбце представляет собой сумму трех результатов теста, соответствующих уровню «2» в столбце, т.е. показано в формуле (3.18), (3,18) K2 = y4 + y5 + y6 = 75,10 + 85,00 + 84,18 = 244,28 K 3 в первом столбце — это сумма трех результатов теста, соответствующих уровню «3» в первый столбец, который показан в формуле (3.19), (3.19) K3 = y7 + y8 + y9 = 79,22 + 87,17 + 71,81 = 238,20 k 1, k 2 и k 3 дюйма в первом столбце представлены средние значения деления K 1, K 2 и K 3 в первом столбце на 3 соответственно, то есть (3.20) k1 = k1 / 3 = 270,85 / 3 = 90,283 (3,21) k2 = k2 / 3 = 244,28 / 3 = 81,397 (3,22) k3 = k3 / 3 = 238,20 / 3 = 79,400 R 1 получается вычитанием минимального из k 1, k 2 и k 3 из максимального из k 1, k 2 и k 3: (3,23) R1 = k1 − k3 = 90,283−79,400 = 10,883 По величине диапазона R можно судить о влиянии каждого фактора на результаты испытаний.Принципы суждения: там, где есть большой диапазон, соответствующий фактор будет иметь большее влияние на экспериментальные результаты. В таблице 3.55 диапазон в первом столбце равен 10,883, что является наибольшим из всех диапазонов. Этот столбец используется для размещения коэффициентов мощности лазера, указывая на то, что влияние факторов мощности лазера на прочность на изгиб спеченных деталей является наиболее важным. Второй — коэффициент скорости сканирования, и последний — коэффициент толщины среза.Следовательно, первичное и вторичное соотношение факторов: мощность лазера> скорость сканирования> толщина среза. Оптимальная комбинация коэффициента скорости сканирования, коэффициента мощности сканирования и коэффициента толщины среза определяется в соответствии с величинами k 1, k 2 и k 3. Принцип определения должен основываться на требовании значение индекса, то есть если значение индекса должно быть выбрано как можно большим, следует принять уровень, соответствующий максимуму k ; для значения индекса чем меньше, тем лучше, следует принять уровень, соответствующий минимуму k ; и если требуется, чтобы значение индекса было умеренным, следует принять уровень, соответствующий соответствующему значению k .Теперь, для значения показателя, которое исследуется в отношении проблемы, то есть прочности на изгиб спеченных деталей, чем больше, тем лучше, и в k 1, k 2 и k 3, соответствующих мощности лазера, k 1 является наибольшим, указывая, что первый уровень является предпочтительным для коэффициента мощности лазера. Точно так же можно видеть, что второй уровень предпочтительнее для скорости сканирования, а первый уровень предпочтительнее для толщины среза. Таким образом, может быть достигнута лучшая комбинация уровней: 121, что обеспечивает лучшие условия: мощность лазера: 20 Вт; скорость сканирования: 2000 мм / с; и толщина среза: 0.08 мм. Лазеры большой мощности | Американский ученыйЭта статья из выпуска. сентябрь-октябрь 2010 г.Том 98, номер 5Стр. 394DOI: 10.1511 / 2010.86.394 Лазеры — замечательные устройства. Их способность излучать резкий, яркий луч четко определенного цвета — это то, что удивляет студентов по сей день.Можно утверждать, что после транзистора лазер стал самым значительным технологическим изобретением со времен Второй мировой войны. Лазеры теперь находят широкое применение в невероятно разнообразных задачах, включая чтение компакт-дисков, печатную бумагу, сканирование штрих-кодов, обработку и сварку, прецизионную хирургию, определение расстояний, обеспечение высокоскоростной связи, управление высокоточными боеприпасами и управление управляемыми ядерными объектами. слияние. В этом году исполняется 50 лет демонстрации первого лазера, подвиг, совершенный Теодором Майманом в своей лаборатории в Hughes Aircraft Company в 1960 году.За 50-летнюю историю разработки лазеров с момента этой первой демонстрации было много поворотов, включая 30-летнюю патентную битву, которая окружала изобретение лазера. Но одним из самых увлекательных сюжетов в истории разработки лазеров с 1960 года было удивительное увеличение мощности, которую могут выдавать лазеры. Часто думают, что лазеры излучают непрерывный луч света одного цвета, который хорошо коллимирован (это означает, что фотоны в луче остаются параллельными и не расходятся друг от друга).Это действительно касается миниатюрных лазеров, считывающих компакт-диски, или сканеров штрих-кода в супермаркетах, но существует большой класс лазеров, которые излучают свет короткими импульсами. Поскольку мощность определяется как энергия, доставляемая в единицу времени, когда энергия, выходящая из лазера в импульсе света, увеличивается, а длительность импульса уменьшается, мгновенная мощность во время импульса — более точно описываемая как «пиковая мощность» — увеличивается. Импульсные лазеры находят применение в высоких задачах, таких как производство управляемого ядерного синтеза и лазерная хирургия глаза, вплоть до повседневных, таких как косметическая эпиляция.Фактически, высокая мощность, возможная с помощью импульсного лазерного света, была очевидна с самых первых дней разработки лазеров. Даже первый лазер Маймана был импульсным и, вероятно, имел пиковую мощность в несколько сотен ватт (примерно такая же мощность, которую сегодня использует средняя тостерная печь). Огромное увеличение пиковой мощности лазеров за последние 50 лет было ошеломляющим. Пиковая мощность лазерного импульса увеличивается примерно в 1000 раз каждые 10 лет. Это увеличение мощности очень похоже на увеличение плотности твердотельной электроники, описываемое знаменитым законом Мура — количество транзисторов в интегральной схеме удваивается примерно каждые два года.Но в отличие от закона Мура, который является результатом непрерывного постепенного улучшения технологии производства микросхем, увеличение пиковой мощности лазеров стало результатом нескольких крупных прорывов в лазерной технологии. Производство большой мощности — естественное следствие физики работы лазера. Первый лазер Маймана уже выдавал довольно высокую мощность по стандартам типичного источника непрерывного света, в частности, излучающий свет только одного четко определенного цвета (в данном случае при 694 нанометрах, темно-красный цвет).Способность лазеров создавать большие мощности проистекает из квантовой механики, которая позволяет им работать. Лазер в значительной степени является усилителем, поскольку буква «а» в слове «лазер» означает: усиление света за счет вынужденного излучения излучения. Как следует из последней части аббревиатуры, он работает путем накачки энергии в электроны атомов в некотором веществе, называемом материалом усиления . Эти атомы могут быть собраны в различных формах, и было разработано много различных сред, подходящих для лазеров. Активные атомы или молекулы в лазерных средах могут быть в газообразной форме, например, атомы неона в широко распространенном гелий-неоновом лазере, хорошо известном студентам на лабораторных занятиях, или молекулы углекислого газа во многих сварочных лазерах. Они также могут быть полупроводниковыми материалами, такими как арсенид галлия, используемый в диодных (или твердотельных) лазерах проигрывателей компакт-дисков. Или они могут быть встроены в кристаллы, такие как ионы хрома в рубине, как Майман использовал в своем первом лазере. Во всех формах электроны в атомах лазерной среды должны возбуждаться энергией.Этот подвиг достигается многими способами, например, путем создания высоковольтного разряда в газах гелий-неонового лазера, протекания тока через полупроводник диодного лазера или освещения кристаллов, таких как рубин, ярким электрическим светом. дуговые лампы. Именно этот последний подход Мейман использовал в своем первом лазере, где он окружил рубиновый стержень изогнутой лампой-фонариком. Когда электроны в атомах лазерного материала возбуждены, они могут приобретать только дискретную энергию, попадая на определенные квантовые энергетические уровни.Когда электроны переводятся на более высокий квантовый уровень, они могут сохранять эту энергию в течение периода времени, называемого «временем жизни» этого уровня. Когда свет на правильной длине волны проходит рядом с этими атомами в пределах их временного окна, энергия, запасенная возбужденным электроном, извлекается, стимулируя электрон вернуться в квантовое состояние с более низкой энергией. Таким образом, электрон отдает свою энергию проходящим световым фотонам и эффективно усиливает проходящий световой луч (см. Фиг.4). Можно думать о лазере как о накопителе энергии, которое выделяет ранее накопленную энергию в пучок или импульс фотонов.Если условия настроены правильно, энергия может накачиваться в электроны атомов лазера в течение длительного периода времени (примерно время жизни возбужденного энергетического состояния лазерного материала), а затем она может быстро высвобождаться, что приводит к производству светового импульса с высокой пиковой мощностью. Для выполнения этого накопления возбужденный материал с усилением лазерного излучения помещается между двумя зеркалами — конструкция, известная как оптический лазерный резонатор, — так что свет циркулирует назад и вперед через усиливающую среду лазера, извлекая энергию, накопленную электронами, накачиваемыми в верхнее квантовое состояние.Покрывая передние грани стержня усиления лазера так, чтобы они отражали свет (с небольшой утечкой света с одной стороны для доставки лазерного излучения), Майман произвел световой импульс от своего первого рубинового лазера с длительностью, сравнимой с свет его фонарика — примерно три миллисекунды. Вскоре после первой демонстрации лазера исследователи поняли, что такой импульсный лазер может производить гораздо более короткие импульсы. Если энергия, запасенная в верхнем квантовом состоянии лазера, может быть извлечена не во время накачки, а вместо этого извлечение может быть остановлено на некоторое время, запасенная энергия естественным образом будет накапливаться в лазерной среде.Затем, если бы внутри резонатора был помещен достаточно быстрый переключатель, вся эта накопленная энергия могла быть быстро высвобождена за один световой импульс. Эта идея была реализована через несколько месяцев после первой демонстрации Мэймана его коллегами Фредом Дж. МакКлангом и Робертом У. Хеллвартом. Они поместили усиливающую среду из рубина между двумя зеркалами, и, временно прервав оптический путь между двумя зеркалами, энергия могла накачиваться в рубин и накапливаться с возрастающей плотностью электронами в верхних квантовых состояниях.Затем, когда прерывание было быстро устранено, фотоны могли циркулировать и быстро извлекать энергию из активной среды в лазерном импульсе. Вместо световой энергии, исходящей из лазера в течение периода накачки, энергия была извлечена во временной шкале, в которой фотоны должны были пройти несколько раз назад и вперед по беспрепятственному пути между двумя зеркалами. Поскольку расстояние между зеркалами в таком лазере составляет, скажем, от 10 до 30 сантиметров, что соответствует времени прохождения одной или двух наносекунд со скоростью света, световой импульс извлекает накопленную энергию в этом временном масштабе, от четырех до пяти порядков на величину быстрее, чем время, в течение которого электроны накачиваются. На языке электротехники этот процесс можно описать, сказав, что добротность оптического резонатора, образованного двумя зеркалами, «добротность», изначально низкая. Когда препятствие устранено и образуется свободный оптический путь, добротность быстро увеличивается; Таким образом, в лазере предусмотрена «модуляция добротности», позволяющая распространять электромагнитную энергию лазерного импульса с низкими потерями. (Онлайн-версия этой статьи содержит дополнительный рисунок по модуляции добротности.См. Вставку в конце страницы 401 для веб-ссылки на этот выпуск.) Первый лазер с модуляцией добротности был продемонстрирован в Hughes в 1961 году. Этот лазер выдавал импульсы длительностью всего 100 наносекунд, давая пиковую мощность около 1 мегаватта. , скачок мощности более чем в 1000 раз по сравнению с оригинальным устройством Maiman. Модуляция добротности с тех пор реализована во многих типах лазеров, особенно широко в лазерах, использующих кристаллы, изготовленные из неодима, легированного (или вставленного) в иттрий-алюминиевый гранат (сокращенно Nd: YAG), а также из неодима, легированного в оптическое стекло.Современный коммерческий Nd: YAG-лазер с модуляцией добротности может выдавать импульсы с энергией до 1 джоуля длительностью от 1 до 10 наносекунд, обеспечивая пиковую мощность, приближающуюся к гигаватту (10 9 Вт). Чтобы продвинуть эту технологию к более высокой энергии импульса и, следовательно, более высокой мощности, можно, естественно, рассмотреть возможность дальнейшего усиления наносекундного лазерного импульса с модуляцией добротности, пропуская его через дополнительную среду лазерного усиления. Эта конструкция известна как «задающий генератор, усилитель мощности» или архитектура MOPA.Он много лет использовался в коммерческих лазерных системах с модуляцией добротности для получения лазерных импульсов с энергией многих джоулей. Вскоре такие лазерные системы начали занимать комнаты и целые здания. В начале 1970-х годов Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса (LLNL) в Калифорнии начала разработку серии все более крупных лазеров, использующих архитектуру MOPA, каждый из которых более мощный, чем его предшественник. Эта разработка была мотивирована возможностью использования лазерных импульсов высокой энергии (многие десятки или сотни килоджоулей) для взрыва капсул и запуска ядерного синтеза в лаборатории (метод, известный как термоядерный синтез с инерционным удержанием, или ICF).Из-за генерируемых высоких энергий эти лазеры требовали увеличения апертуры лазерного усилителя до больших размеров и создания систем с несколькими лучами MOPA. Во всех этих системах в качестве материала усилителя использовалось стекло, легированное неодимом, поскольку из него можно было изготовить стекло с большими отверстиями, вплоть до многих десятков сантиметров. Разработка лазера ICF компании LLNL длилась более 40 лет: в 1974 году был создан 100-джоульный лазер Cyclops, а в 1976 году — двухлучевой лазер Argus.20-лучевой лазер Shiva мощностью 10 килоджоулей был построен в 1977 году и представляет собой первый крупномасштабный и высокомощный лазер. За Шивой в 1985 году последовал 100-килоджоульный лазер Nova. Кульминацией этого направления развития в последние годы в LLNL стала демонстрация в 2008 году National Ignition Facility (NIF), лазера, который подает наносекундные импульсы с энергией, объединенной из 192 отдельных лучи, приближающиеся к 4 миллионам джоулей, что примерно в миллиард раз более энергично и мощно, чем тот первый лазер с модуляцией добротности. Газовые лазеры также были разработаны в архитектуре MOPA для высокоэнергетических приложений, включая, например, создание лазеров на углекислом газе в Национальной лаборатории Лос-Аламоса в 1970-х и 1980-х годах, а также разработку в Военно-морской исследовательской лаборатории наносекундные лазеры с килоджоульной энергией, такие как лазер Nike, который работает в ультрафиолетовом диапазоне с использованием газа фторида криптона. Однако для усиления наносекундного лазера высокой энергии стекло, легированное неодимом, стало королем. История увеличения мощности лазера не закончилась разработкой лазера с модуляцией добротности и архитектуры MOPA. Второй крупный прорыв в разработке лазеров с высокой пиковой мощностью произошел по существу параллельно с изобретением модуляции добротности. Эта важная разработка, известная как синхронизация мод, была впервые продемонстрирована сразу после появления первого лазера. Синхронизация мод произвела революцию в технологии импульсных лазеров, позволив генерировать лазерные импульсы, которые на несколько порядков короче, чем импульсы, генерируемые модуляцией добротности.В некоторых случаях лазеры с синхронизацией мод выдают импульсы длительностью от одной пикосекунды до нескольких фемтосекунд (10 -15 секунд). Эта техника способствовала развитию целого подполя в оптике, посвященного использованию этих сверхбыстрых импульсов для изучения физики и химии во временных масштабах, которые ранее были недоступны. Сверхбыстрая наука — еще один захватывающий сюжет в истории о лазере; он привел к замечательному пониманию того, как движутся атомы и реагируют молекулы, и работа в этой области была удостоена Нобелевской премии по химии в 1999 году.Сверхбыстрая генерация лазерных импульсов с помощью синхронизации мод также сыграла центральную роль на пути к более высоким лазерным мощностям. Принцип неопределенности Гейзенберга (который гласит, что определенные пары физических свойств не могут быть известны одновременно) применяется к лазерам и их электромагнитным волнам. Принцип требует, чтобы для генерации световых импульсов с короткой продолжительностью в электромагнитной волне должна присутствовать широкая полоса частот. Обычно думают, что обычные лазеры имеют только одну четко определенную частоту, дающую чистый цвет, который мы наблюдаем в лазерах видимого диапазона, таких как диодные лазеры, используемые в лазерных указках, или лазеры на аргоне, используемые в лазерных световых шоу. Однако атомы в некоторых лазерных средах могут усиливать довольно широкий диапазон частот в лазерном резонаторе. Этот диапазон варьируется в зависимости от атома или молекулы и среды, в которой они находятся. Рассмотрим лазерный резонатор с двумя противоположными зеркалами. В пространство между зеркалами может уместиться множество световых волн различной длины, при этом единственное условие состоит в том, что каждая длина волны должна иметь целое число колебаний в пространстве между этими зеркалами. Каждая такая электромагнитная волна называется продольной «модой». Когда накачиваемый лазерный материал помещается в этот резонатор, любые моды с длиной волны, попадающей в диапазон частот, которые материал может усиливать, могут процветать, и устройство считается «многомодовым». Для некоторых материалов с лазерным усилением этот диапазон усиленных мод может быть очень большим, включая десятки тысяч мод. Один только этот результат не приводит к короткому световому импульсу; в результате получается непрерывный луч лазерного света с широким спектром (и случайные всплески энергии во времени, известные как «биение мод»). Ключ к использованию всей этой полосы пропускания лазерного света — заставить все эти моды колебаться с одной четко определенной фазой; Другими словами, заставить все режимы двигаться синхронно, так что пики и впадины электромагнитных волн имеют фиксированное отношение друг к другу. Когда это будет сделано, режимы будут заблокированы. Когда каждая мода суммируется со всеми другими модами, синусоидальные электромагнитные волны в сумме дают короткий импульс по времени, длительность которого примерно равна обратной величине частотного диапазона мод, которые усиливаются в резонаторе.Наблюдаемым следствием такой синхронизации мод является формирование короткого светового импульса, который движется вперед и назад в резонаторе лазера, при этом небольшое количество света просачивается из одного зеркала в оба конца. Может быть сформирован импульс, намного короче времени обхода лазерного резонатора. Исследования, проведенные на протяжении многих лет, привели к появлению множества методов для достижения этой синхронизации мод, большинство из которых относятся к одной из двух категорий: активная и пассивная синхронизация мод. Активная синхронизация мод, которая была продемонстрирована первой, включает помещение оптического материала в резонатор, потери энергии которого модулируются во времени с помощью электрического сигнала, как это делается во многих лазерах с модуляцией добротности.Оптические потери, вызванные этим модулятором, изменяются с частотой повторения, которая соответствует скорости, с которой лазерный импульс с синхронизацией мод циркулирует в резонаторе. Это заставляет режимы лазера синхронизироваться, так что присутствует только короткий импульс, который проходит через короткое временное окно устройства модулятора, когда его потери низкие. Этот активный подход к синхронизации мод основан на свойстве лазера с синхронизацией мод создавать короткие по времени импульсы; другая категория синхронизации мод основана на том факте, что пиковая интенсивность света в резонаторе намного выше при синхронизации мод, чем при непрерывной генерации в резонаторе.Этот подход с пассивной синхронизацией мод включает в себя введение в резонатор пропускающего элемента, потери которого меняются не во времени, а в зависимости от интенсивности света. Если этот элемент поглощает свет при низкой интенсивности, но его поглощение падает при высокой интенсивности (или поглощение «насыщается» с высокой интенсивностью), лазер будет вынужден срабатывать таким образом, чтобы минимизировать потери — что снова происходит. , когда режимы заблокированы. Хотя активный подход был использован первым, именно второй подход привел к генерации самых коротких импульсов и послужил затравкой для самых мощных современных лазеров. Примечательно, что первый лазер с синхронизацией мод был построен в 1964 году, всего через четыре года после первого лазера. Эта демонстрация произошла в лабораториях Bell Telephone и включала синхронизацию мод гелий-неонового лазера, генерирующего импульсы длительностью около одной наносекунды. Затем технология синхронизации мод быстро развивалась. Лазеры с синхронизацией мод с использованием твердотельных усиливающих материалов с ламповой накачкой генерировали импульсы длительностью менее 100 пикосекунд к концу 1960-х годов, после чего в 1972 году последовало дальнейшее сокращение длительности импульса, когда был продемонстрирован первый непрерывный лазер на красителях с синхронизацией мод. Эрих П.Иппен, Чарльз В. Шэнк и Эндрю Динес. Лазерные красители, которые обычно растворяются в жидкости и протекают через контейнер, помещенный в лазерный резонатор, были первоначально разработаны в конце 1960-х годов как усиливающие среды, которые позволяли настраивать лазер в диапазоне частот. Именно эта очень широкая полоса усиления позволяла лазерам на красителях генерировать импульсы, преодолевавшие 1-пикосекундный барьер, переводя науку о сверхбыстрых лазерах в фемтосекундный режим в начале 1980-х годов. Действительно, в 1987 году Шэнк и его коллеги продемонстрировали получение лазерных импульсов длительностью всего 6 фемтосекунд из лазера на красителях с синхронизацией мод, рекорд, который держался почти за 15 лет. Еще один прорыв в технологии синхронизации мод сделал возможным создание лазеров очень высокой мощности. Это достижение произошло в 1982 году, когда Питер Моултон изобрел кристаллы сапфира, легированного титаном (Ti: сапфир), в качестве материала для твердотельных лазеров. Замечательные свойства Ti: сапфира делают его по сей день предпочтительным лазерным материалом для сверхбыстрых лазеров. Он имеет чрезвычайно широкую полосу усиления, достаточную для импульсов длительностью от 4 до 5 фемтосекунд. И он имеет свойства, намного превосходящие красители: с ним легко работать как с твердотельным кристаллом, и его можно изготавливать с превосходным оптическим качеством.Импульсы с синхронизацией мод короче 20 фемтосекунд могут быть легко получены в Ti: сапфировом лазере с использованием метода пассивной синхронизации мод, известного как синхронизация мод с линзой Керра, который был обнаружен почти случайно в 1990 году в лаборатории Уилсона Сиббетта. в Университете Сент-Эндрюс в Шотландии. С 1982 года был обнаружен ряд других кристаллов (как природных, так и созданных руками человека), которые имеют аналогичные подходящие свойства. Однако титан-сапфировые лазеры с синхронизацией мод остаются стандартным инструментом для исследователей сверхбыстрых лазеров. Чтобы получить больше мощности от луча, один из подходов состоит в том, чтобы накапливать больше энергии в усиливающей среде лазера внутри резонатора, а затем извлекать ее всю сразу. Первоначально добротность или «добротность» оптического резонатора низкая, но когда полость открывается и образуется свободный путь, добротность быстро возрастает, и говорят, что лазер имеет модуляцию добротности. . При модуляции добротности оптический затвор временно останавливает генерацию, в то время как лампы-вспышки накачивают энергию в усиливающую среду лазера (вверху). Когда ставня снимается, свет внезапно начинает циркулировать в полости.Шлюзы лазерной энергии открываются, в результате чего световой импульс содержит большую часть энергии, накопленной в усиливающей среде, и длится всего несколько наносекунд (в центре). Фотография показывает внутреннюю часть современного гигаваттного лазера с модуляцией добротности (внизу). Иллюстрация Барбары Ауликино. Фотография любезно предоставлена Continuum, Inc., фотография Эвана Уинслоу Смита Влияние, которое эти сверхбыстрые лазерные источники могли оказать на разработку компактных лазеров с высокой пиковой мощностью, было реализовано вскоре после демонстрации синхронизации мод.Поскольку пиковая мощность в импульсе заданной энергии увеличивается за счет уменьшения длительности импульса, дальнейшее усиление коротких импульсов, производимых лазером с синхронизацией мод, было путем к созданию компактных лазеров большей мощности. Очевидный подход здесь состоит в том, чтобы послать короткий импульс от лазера с синхронизацией мод в цепь усилителя MOPA. Именно такой подход привел к созданию первого лазера мощностью в триллион ватт (1 тераватт), который появился на лазере Janus в 1975 году в LLNL. Импульсы с синхронизацией мод длительностью около 100 пикосекунд усиливались до энергии около 100 джоулей в цепи усилителя из неодимового стекла.Были созданы еще более короткие лазеры с усилением импульсов с использованием лазерных красителей для дальнейшего усиления фемтосекундных импульсов лазера на красителях с синхронизацией мод. Этот подход привел к демонстрации настольных лазеров в начале 1980-х с пиковой мощностью более гигаватта и длительностью импульса менее 1 пикосекунды. Продвижение этого подхода к более высоким уровням мощности в конечном итоге имеет ограничение. Для данной апертуры пучка пиковая интенсивность лазерного импульса растет по мере прохождения через усилители.Когда эта интенсивность становится достаточно высокой, ряд нелинейных эффектов изменяют импульс таким образом, что разработчикам мощных лазеров снятся кошмары. Самая большая проблема возникает из-за того, что показатель преломления любого материала (скорость, с которой он изгибает свет), включая те, которые используются для усиления лазерного импульса, очень незначительно увеличивается по мере усиления интенсивности света. Для интенсивности света, встречающейся в большинстве повседневных ситуаций, это изменение показателя преломления совершенно не учитывается. Но при усилении коротких лазерных импульсов до высоких энергий это явление может привести к катастрофическим последствиям. Любой реальный луч света неизбежно будет иметь небольшие модуляции интенсивности на его пространственном профиле, что является естественным результатом несовершенства реальной оптики. Поскольку показатель преломления увеличивается с интенсивностью, центральная и наиболее интенсивные части этих небольших модуляций луча будут иметь немного более высокий показатель преломления, что эффективно замедляет фазу электромагнитной волны там. Это приводит к изогнутому, вогнутому волновому фронту вокруг этой пульсации интенсивности, что вызывает фокусировку.По мере того, как эта теперь фокусирующаяся пульсация распространяется, ее интенсивность еще больше увеличивается, а центр модуляции еще больше задерживается из-за изменения показателя преломления. Этот процесс может продолжаться до тех пор, пока рябь не сфокусируется на небольших точках и не достигнет достаточно высокой интенсивности, чтобы повредить оптику в лазерной цепи. Эта так называемая «мелкомасштабная самофокусировка» может привести к впечатляющему отказу оптики лазера, поскольку интенсивный луч разорвется на мелкие волны, просверлившие сотни крошечных отверстий в дорогостоящей оптике высокого разрешения. мощный лазер.До середины 1980-х считалось, что единственный способ решить эту проблему и перейти к более высокой мощности лазера — это увеличивать и увеличивать апертуру луча, что в конечном итоге ограничивалось стоимостью и технологией очень большой оптики. Элегантное решение для обхода этой проблемы было изобретено в 1985 году. Работая в то время в Университете Рочестера, Жерар Муру с помощью своей аспирантки Донны Стрикленд продемонстрировал решение проблемы нелинейного повреждения, которая с тех пор произвела революцию в области высоких пиков. -мощные, сверхбыстрые лазеры.В их решении использовалось преимущество того факта, что сверхбыстрый лазерный импульс состоит из диапазона длин волн. Они ввели последовательность оптических элементов, таких как призмы или дифракционные решетки, которые распространяют цвета импульса в пространстве, точно так же, как капли дождя поступают с солнечным светом при создании радуги. Эти оптические устройства позволяют манипулировать этими цветами во времени, в основном за счет разработки оптической системы, при которой каждый цвет проходит разную длину пути. Это дает импульс, который растянут во времени с длительностью, намного большей, чем начальный ультракороткий лазерный импульс, и с частотами импульса, рассеянными во времени, так же, как нарастание тона слышимого «чириканья» от птицы достигает наше ухо как колебание звуковой частоты. Прекрасная идея Муру состояла в том, чтобы выполнить такой оптический чирп на сверхбыстром лазерном импульсе до того, как он был усилен, тем самым сделав его намного длиннее, на многие сотни пикосекунд и достаточно низкой по интенсивности, чтобы можно было безопасно усилить без чрезмерных затрат. большая оптика. После усиления разброс цветов во времени просто меняется на противоположный с использованием тех же устройств, теперь организованных так, что цвета, которые были изначально задержаны, возвращаются в то же время, что и ранние цвета.Этот процесс повторно сжимает импульс почти до такой же короткой продолжительности, что и начальный импульс от лазера с синхронизацией мод, но с высокой энергией, которую может обеспечить цепь MOPA. Используя эту технику «усиления чирпированных импульсов», или CPA, Стрикленд и Муру продемонстрировали компактную настольную лазерную систему с импульсами пикосекундной длительности с усиленной мощностью почти 100 гигаватт, мощность, достигнутая в то время только в значительной степени. -апертурные, отечественные лабораторные лазеры. Эта демонстрация привела к взрывному росту пиковой мощности лазеров в лаборатории и невероятному распространению мощных лазеров в исследовательских лабораториях по всему миру.Через три года после той первой демонстрации CPA, Муру и его коллеги продемонстрировали компактный лазер с пиковой мощностью более 1 тераватт, система Mourou изобрела «Table Top Terawatt» или «T-cubed». Технология CPA была быстро внедрена в серию более мощных лазеров по всему миру, включая ряд лазеров мощностью в десятки тераватт в крупных лабораториях, таких как LLNL, лаборатория Commissariat à l’Énergie Atomique в Limeil во Франции и Институт лазерной техники в Осаке, Япония.Научное стремление к созданию этих мощных CPA-лазеров было связано с желанием изучить физику взаимодействия света с веществом при все более и более высокой интенсивности. Интенсивность, которую можно создать с помощью современных мультитераваттных CPA-лазеров, примечательна: при фокусировке в точку размером в несколько микрометров интенсивность лазерного импульса превышает интенсивность солнечного света на Земле на 18 или 19 порядков. Что происходит с материей в свете такой интенсивности — главный научный вопрос. Например, вопрос о том, как этот интенсивный свет ионизирует атомы, стал предметом активных исследований, и с появлением этих лазеров было получено много знаний о физике «сильного поля». Также интересны плазмы (облака ионизированного газа) при очень высоких температурах, которые могут возникнуть, когда такой интенсивный лазерный импульс фокусируется в газ или твердое тело. Может быть создана плазма с температурой в миллионы градусов по Цельсию. Эти температуры потенциально могут быть использованы для запуска управляемого ядерного синтеза в лаборатории или могут воссоздать условия, которые обычно встречаются только в глубинах загадочных астрофизических объектов, таких как коричневые карлики или сверхновые. Мультитераваттные лазеры с ультракороткими импульсами сначала были сконструированы из усилителей, изготовленных из неодимового стекла.Но поскольку титан-сапфир может усиливать свет в очень широком диапазоне частот, вскоре он был использован для создания CPA-лазеров, которые могли усиливать импульсы, которые затем повторно сжимались до длительности всего 30 фемтосекунд. С момента первого внедрения титан-сапфира в CPA-лазеры в лабораториях Мичиганского и Стэнфордского университетов примерно в 1990 году, титан-сапфир стал самым распространенным материалом для CPA-лазеров с высокой пиковой мощностью. В настоящее время они используются во всем мире для исследований не только в области атомной физики сильного поля и физики высокоинтенсивной плазмы, но также в сверхбыстрой химии и во множестве таких разнообразных приложений, как получение биологических изображений и прецизионная обработка. Несмотря на преобладание Ti: сапфира в широко распространенном распространении CPA-лазеров, неодимовое стекло оставалось материалом усилителя, который можно было использовать для создания лазеров максимальной мощности. Энергетический барьер в 100 тераватт был преодолен системой CPA из неодимового стекла в LLNL в 1995 году. Этот рекорд был побит чуть более года спустя командой LLNL во главе с Майклом Перри. Используя луч лазера Nd: Glass Nova, команда использовала CPA для создания лазерных импульсов с энергией 500 джоулей, сжатой до длительности около 400 фемтосекунд.В результате впервые была получена пиковая мощность, превышающая 1 петаватт, или квадриллион ватт. Мощность лазера на этом уровне превышает мощность, выделяемую любым другим объектом, созданным человеком (включая детонацию ядерного оружия), и представляет собой уровень мощности, в 2000 раз превышающий мощность всех электростанций в Соединенных Штатах. (Типичная электрическая электростанция выдает мощность от 1 до 2 гигаватт.) Петаваттный лазер Perry был потрясающим достижением мощных лазерных технологий.Например, для сжатия такого импульса требовались дифракционные решетки размером около 1 метра — почти в 10 раз больше решеток, которые были доступны в то время. Это потребовало огромных усилий по разработке решетчатой технологии в LLNL, которая с тех пор дала начало множеству приложений. Сфокусированная интенсивность петаваттного лазера приближалась к 10 21 ватт на квадратный сантиметр, беспрецедентная интенсивность света, которая привела к ряду интересных открытий, например, о ядерном синтезе и фундаментальных свойствах материи, в то время как Ливерморский петаваттный лазер работал через конец 1990-х. За последние 10 лет произошли улучшения в исходной технологии петаваттного лазера LLNL, что привело к созданию во всем мире ряда лазеров петаваттного класса. К ним относятся лазеры мощностью более 1 петаватта на лазерной установке Vulcan в Англии и наша разработка Техасского лазера на петаваттной мощности в Техасском университете в Остине. Новая технология улучшила качество лазеров на этом уровне мощности и сократила сжатый импульс в CPA-лазере на неодимовом стекле до длительности около 100 фемтосекунд, что в четыре раза короче, чем первые в LLNL, и в 10 раз короче, чем в первом CPA-лазере.Лазеры петаваттного класса сейчас работают в Осаке, Япония; в Лаборатории лазерной энергетики в Рочестере; и в Сандийской национальной лаборатории в Нью-Мексико. За последнее десятилетие в таких лабораториях, как Японский научно-исследовательский институт атомной энергии недалеко от Киото, Япония, и в лаборатории, в лазерах петаваттного класса с гораздо более короткими импульсами (от 20 до 50 фемтосекунд) была разработана технология Ti: Sapphire CPA. d’Optique Appliquée во Франции, а также в LLNL. Эти петаваттные лазерные системы используются во множестве интересных областей исследований, таких как ускорение протонов для потенциального использования в терапии рака или получение электронных лучей с энергией, приближающейся к энергии современных крупномасштабных ускорителей частиц. Хотя технология CPA продолжает совершенствоваться, пиковая мощность лазеров с 2000 года не превышала уровня в 1 петаватт. Этот потолок, вероятно, изменится в ближайшее десятилетие. Развитие технологии CPA как с титаном: сапфиром, так и с неодимом: стекло, которая позволяет усиливать высокоэнергетические импульсы с длительностью менее 100 фемтосекунд, сделало перспективу лазеров с гораздо большей пиковой мощностью. Планы по проектированию и строительству лазерной установки мощностью 200 петаватт продвигаются в Европе быстрыми темпами в рамках поддерживаемой Европейским союзом программы, известной как проект Extreme Light Infrastructure.Планы по разработке эксаваттного лазера (1000 петаватт, или один квинтиллион ватт) также формируются в этой стране. Подход, основанный на США, использует хорошо зарекомендовавшую себя архитектуру CPA из неодимового стекла, реализованную с новыми видами лазерного стекла, которые могут обеспечивать усиление импульсов длительностью до 50 фемтосекунд. Науку, которую можно исследовать с помощью таких удивительно мощных машин, еще предстоит полностью оценить. Но по мере того, как в ближайшие годы научные доводы в пользу этих систем класса эксаватт будут расти, вполне вероятно, что ошеломляющий рост пиковой мощности лазерного импульса, который стал возможным благодаря этому первому скромному рубиновому лазеру 50 лет назад, будет продолжаться.
Измерение мощности лазера в реальном времениСовременные лазерные системы обычно проходят тщательные испытания вплоть до ввода в эксплуатацию. Однако этот тщательный мониторинг часто прекращается после запуска системы в производство. Мониторинг в реальном времени во время нормальной работы дает огромный экономический и экологический потенциал оптимизации. В последние несколько десятилетий производственные процессы, особенно производственные, неуклонно оптимизируются и автоматизируются.Во многих областях лазерные системы заменяют механические инструменты, потому что они не подвержены износу и требуют гораздо меньшего обслуживания. Несмотря на эти преимущества, важно регулярно проверять качество лазерного луча с помощью воспроизводимых методов измерения даже во время продуктивной эксплуатации. К сожалению, многие широко используемые эмпирические методы измерения не дают точных или стандартизованных результатов. Только при оптимальной работе лазерные системы могут гарантировать наиболее рентабельное производство высококачественных компонентов.Даже самые незначительные отклонения в регулировке луча или положении фокуса могут привести к снижению качества детали, значительному увеличению затрат и загрязнению окружающей среды различными способами, включая повышенное потребление энергии и использование технологических газов. Распределение мощности и плотности энергии в луче считается ключевым параметром в большинстве лазерных приложений; он определяет эффективность лазерной обработки материала. Этот параметр рассчитывается путем деления излучаемой мощности или энергии на площадь поперечного сечения сфокусированного луча (подробности относительно таких параметров лазера приведены в разделе «Радиометрические измерения»).Чем выше мощность или плотность энергии в фокусе, тем эффективнее выполняется операция лазерной обработки. Неожиданное увеличение размера фокусного пятна может серьезно повлиять на плотность мощности луча, что приведет к таким вредным эффектам, как:
Кроме того, не следует недооценивать экономическое воздействие на окружающую среду увеличения потребления технологических газов.Значительные затраты энергии расходуются на производство таких газов, как аргон, что отрицательно сказывается на общей устойчивости и конечной цене производимого продукта. В то же время, чем больше потребляется технологических газов, тем больше выделяется побочных продуктов переработки — как газообразных, так и твердых частиц. Такое излучение может снизить качество оптики, что приведет к дальнейшему снижению качества луча. На рис. 1 показано влияние низкого качества балки на стоимость детали. PowerLight поражает свои цели мощным лазерным лучомСистема мощного излучения Powerlight Technologies на базе лазера демонстрируется в Центре боевых действий ВМС имени Дэвида Тейлора в Мэриленде.(USNRL через YouTube) Беспроводная передача энергии была предметом научной фантастики более века, но теперь PowerLight Technologies превращает ее в научный факт… с помощью чертовых лазерных лучей. «Мощность лазера ближе, чем вы думаете», — сказал на этой неделе GeekWire генеральный директор PowerLight Ричард Густафсон. Это гораздо больше, чем лабораторный эксперимент: Густафсон сказал, что его компания со штаб-квартирой в Кенте, штат Вашингтон, завершает демонстрационный проект стоимостью 9,5 миллионов долларов для США.С. Лаборатория военно-морских исследований. В 2019 году PowerLight продемонстрировал, что его система передачи мощности может передавать мощность 400 Вт — этого достаточно для включения множества ламп, ноутбуков и кофеварки. В 2020 году последовала демонстрация легкого приемника энергии, подходящего для дронов. Этот проект, к удовлетворению военно-морского флота, доказал, что лазерная система PowerLight может безопасно эксплуатироваться, не подвергая опасности людей, которые встают на пути луча.
Густафсон надеется, что успех PowerLight откроет путь для еще более амбициозного проекта, направленного на разработку системы, достаточно подходящей для полевых военных операций.Цель состоит в том, чтобы передать мощность не менее 1000 Вт на расстояние в километр (0,6 мили) или более. По словам Густафсона, если PowerLight получит одобрение Пентагона, проект может принести более 10 миллионов долларов в течение следующих нескольких лет. «Это действительно большой шаг вперед для компании», — сказал он. PowerLight, ранее называвшийся LaserMotive, за десятилетие сделал много больших шагов. В 2009 году компания выиграла 900 000 долларов в спонсируемом НАСА конкурсе на питание роботов, поднимающихся по тросу.Большая часть работы, которую он выполняет с тех пор, предназначается для военных. Например, один проект предусматривает передачу энергии лазера по оптоволокну, а не по воздуху. «Наши заинтересованные стороны и партнеры по развитию говорят нам, что существуют важные проблемы развертывания технологий, которые могут быть однозначно решены с помощью решения на основе оптоволокна — например, проблемы, связанные с подводным питанием, электрической изоляцией, распределением энергии без ЭМП и малым весом. электрическая передача », — сказал GeekWire по электронной почте Боб Зак, главный операционный директор PowerLight.
Независимо от того, использует ли система оптическое волокно или лазерные лучи в свободном пространстве, основная концепция остается неизменной: электричество включает лазерный передатчик, а приемник преобразует лазерный свет обратно в электричество. Густафсон сказал, что приемник PowerLight предназначен для получения энергии от систем лазерного оружия министерства обороны. «Для этих систем очень важно иметь возможность делать больше чем одну вещь», — сказал он. «У вас может быть этот высококиловаттный лазер, способный вызывать разрушения, но его также можно будет использовать — и, вероятно, гораздо чаще — для передачи энергии на большие расстояния.” Непрерывное удержание дронов в воздухе — наиболее очевидное применение энергетического излучения. Один из ранних экспериментов PowerLight (под брендом LaserMotive) включал использование лазерного луча для управления квадрокоптером более 12 часов подряд. Но это не единственное применение: лученная энергия может приводить в действие автономные наземные транспортные средства или обеспечивать временный источник энергии на поле боя или в зоне бедствия. Его даже можно использовать для беспроводной передачи энергии от солнечной или ветровой энергии в центральную сеть. «Вероятно, один из лучших примеров, который пересекает военное и коммерческое, — это развертывание устройств с поддержкой 5G и 5G», — сказал Зак. «Скорость развертывания так же важна для компании, которая пытается получить преимущество при развертывании 5G, как и в вооруженных силах», — пояснил он. «Вы пытаетесь двигаться со скоростью в сложных условиях для проводного электроснабжения — будь то городская среда, из-за нормативных разрешений или потому, что в определенных местах действительно сложно быстро получить электроэнергию.” Приемник оптического излучения PowerLight загорается во время ночного тестирования. Яркая область в центре — это оптический луч, видимый с помощью специальной камеры. (PowerLight Technologies Photo) Поскольку силовое излучение имеет множество научно-фантастических подтекстов, вполне естественно рассмотреть возможность использования этой технологии для зарядки марсоходов на Луне или Марсе. Густафсон сказал, что PowerLight обсуждает эту идею с космическими компаниями. «Они обратились к нам с просьбой объединить усилия для предложения возможностей поддержки требований НАСА в отношении питания марсоходов на Луне и добычи воды для добычи полезных ископаемых», — сказал он.«Они хотят иметь возможность использовать солнечную энергию на Луне … и передавать ее дистанционно на вездеходы и, в конечном итоге, на другие типы активов, которые могут способствовать коммуникациям и устойчивым операциям на Луне». Сама идея передать мощность луноходам может показаться необычным, но Густафсон и его команда твердо стоят на ногах, когда дело доходит до финансов PowerLight. До сих пор они могли финансировать операции в основном за счет своих военных контрактов. Густафсон сказал, что PowerLight на сегодняшний день привлекла около 6 миллионов долларов частных инвестиций и готовится закрыть раунд обращения с конвертируемыми векселями на 2 миллиона долларов, в основном финансируемый существующими инвесторами.Это удерживало персонал PowerLight на восходящей траектории даже во время пандемии коронавируса. «Благодаря сочетанию сотрудников, работающих полный рабочий день, и пары сотрудников, работающих по контракту, у нас получается около 20 человек, и мы продолжаем расти», — сказал Густафсон. На данный момент PowerLight может быть ориентирован на использование лазера в военных целях. Но Густафсон ожидает, что в ближайшие годы бизнес компании значительно расширится. «Это становится все более реальным с точки зрения демонстраций, которые в настоящее время приводят к внедрению, ведущему к большему взаимодействию с промышленностью и идее возможности соединить больше активов — для включения сенсорных сетей, сетей связи, автономных транспортных средств», — сказал он. .«Мы определенно видим идею стратегии ползания-ходьбы-бега». 5 распространенных проблем с мощностью лазера, с которыми сталкиваются операторы лазераОператоры лазеров — важные участники эффективного лазерного бизнеса, где большие и мощные лазерные системы работают непрерывно. В рамках бизнеса также существует много видов технических проблем, связанных с лазерными системами, которые могут возникнуть во время работы, поэтому их диагностика и устранение как можно быстрее имеют жизненно важное значение. Проблемы с мощностью лазера, которые весьма специфичны для лазерного бизнеса, могут быть вызваны множеством разных причин, но для целей этой публикации мы перечислим пять из них ниже и посмотрим, как мы можем их решить. # 1 — Неэффективное охлаждениеВаша лазерная система состоит из множества высокотехнологичных компонентов, и большинству из них требуется эффективное охлаждение для получения стабильной выходной мощности. Обычно для поддержания постоянной температуры в системе используется система циркуляции воды. Таким образом, проблемы, связанные с циркуляцией воды, фильтрами или электроснабжением, могут снизить выходную мощность лазера. Таким образом, периодическая проверка и контроль указателя температуры на системе охлаждения может сэкономить ваше время и деньги. # 2 — Сбои в питанииПоскольку лазерные системы, особенно высокомощные, требуют высокого напряжения, проблемы, связанные с источником питания, могут приводить к непостоянной выходной мощности, вызывая катастрофические повреждения. Если у вас нет стабильного источника питания, у вас не будет стабильной мощности лазера. Вы можете проверить, вызывает ли электрическая нестабильность какие-либо колебания, используя измеритель мощности лазера и инструменты мониторинга, проверив стабильность выходной мощности вашего лазера. # 3 — Поврежденные компонентыИногда, несмотря на то, что блок питания и система охлаждения выглядят нормально, после измерения выходной мощности с помощью детектора мощности лазера вы замечаете, что уровень мощности от сопла меньше, чем должен быть. Проблема такого рода может быть связана с повреждением или сильным загрязнением внешних и внутренних компонентов, таких как сопло, линзы и зеркала. Таким образом, поддержание максимально возможной чистоты компонентов и их регулярный осмотр имеют решающее значение для эффективной лазерной обработки. # 4 — Несоосные компоненты:Некоторые лазерные технологии, такие как лазеры CO 2 , требуют правильной юстировки линз. Одним из признаков несовпадения этих компонентов является падение мощности лазера. Эксплуатация смещенного лазерного резонатора в течение длительного времени может привести к катастрофическим сбоям. Таким образом, необходимо периодически проверять юстировку линз. # 5 — Нестабильные импульсыТакие процедуры, как резка и сварка, требуют импульсного режима работы лазера из-за необходимости дополнительной пиковой мощности.В большинстве случаев операторы лазеров полагают, что любые потери производительности при резке и сварке происходят из-за падения средней мощности, пока они не воспользуются измерителем мощности лазера и не увидят, что уровень мощности такой, каким должен быть. Однако во время таких операций вместо средней мощности важную роль при обработке материала играет стабильность от импульса к импульсу. Таким образом, важно использовать соответствующие измерители энергии лазера для контроля энергии отдельных импульсов, а не средней мощности. Независимо от того, с какой проблемой сталкивается оператор лазера, важно как можно скорее правильно диагностировать ее, чтобы получить финансовую выгоду.К счастью, проверка проблем с мощностью лазера — это несложный процесс благодаря высокоточным измерителям мощности лазера, которые помогают найти корень проблемы и работать над ее решением. Gentec-EO Gentec Electro-Optics специализируется на измерении и анализе лазерных лучей и терагерцовых источников. Обладая выдающимся 45-летним опытом инноваций, разработки и предоставления новейших технологий на лазерный рынок, Gentec-EO стала экспертом в области измерения лазерного луча.Gentec-EO предлагает широчайший спектр готовых и нестандартных решений для всех видов лазерных приложений, от фабрики до больницы, лаборатории и исследовательского центра, и готов служить вам сейчас и в будущем. Больше от этого автора Исследователи передают энергию с помощью лазера в «исторической» демонстрации мощного излученияЗахваченный специальной камерой лазерный луч, невидимый невооруженным глазом, проходит через темные просторы Модельного бассейна Дэвида Тейлора в Центре боевых действий ВМС в Бетесде, штат Мэриленд.Предоставлено: военно-морская исследовательская лаборатория. Это был второй день трехдневной демонстрации технологий в Модельном бассейне Дэвида Тейлора в Центре надводных боевых действий ВМС в Бетесде, штат Мэриленд, где участники собрались, чтобы стоять в темноте и смотреть на то, что они в большинстве своем не могли » я вижу. Это была первая в своем роде система излучения дальнего радиуса действия в открытом космосе. В тот день, 23 мая, посетители могли увидеть саму систему — две башни высотой 13 футов, одна — двухкиловаттный лазерный передатчик, а другая — приемник специально разработанных фотоэлектрических элементов.Но важная часть, лазер, который излучал мощность 400 Вт на расстоянии 325 метров от передатчика до приемника, был невидим невооруженным глазом. На одном конце испытательного стенда — одного из крупнейших испытательных стендов для модельных кораблей в мире — приемник преобразовывал энергию лазера в постоянный ток, который инвертор превращал в переменный ток для освещения, нескольких ноутбуков и т. Д. и кофеварка, которую организаторы использовали для приготовления кофе для посетителей, или «лазерных латте».« Как отметили там несколько человек, это не совсем захватывающая сцена. Но когда вы передаете сотни ватт мощности с помощью лазерного луча, «возбуждение» — это не то, к чему вы стремитесь. Вы хотите, чтобы было тихо, скучно и, главное, безопасно. Так и было. «Power beaming, концепция, существует уже несколько десятилетий, и были лабораторные демонстрации, но это действительно первая и новая технология, которая получает применение», — пояснил Том Ньюджент, технический директор PowerLight Technologies, поставщика оборудования. для проекта Power Transmission Over Laser (PTROL). Кульминацией второго этапа проекта PTROL стала демонстрация, над которой PowerLight и Пол Яффе (Paul Jaffe), инженер-электронщик из Военно-морской исследовательской лаборатории США, работали два года. Во время брифинга, предшествовавшего демонстрации, Джефф назвал демонстрацию того дня исторической.
Предоставлено: Военно-морская исследовательская лаборатория . Первые демонстрации энергетических лучей состоялись в 1975 году, первая была проведена в Уолтеме, Массачусетс, в лабораториях Raytheon, а вторая — на станции Голдстоуна в сети Deep Space NASA в Калифорнии.Это были две самые важные демонстрации в истории, сказал Джефф своим слушателям. «Третий, который вы увидите через несколько минут», — сказал он. В NRL Джаффе более десяти лет проводит исследования солнечной энергии из космоса, частично сосредоточиваясь на передаче солнечной энергии из космоса на Землю.Одна из самых больших проблем, с которыми столкнулись он и другие, работающие над этой проблемой, — это огромные размеры, необходимые для передатчика и приемника. «Радиоволны имеют довольно большую длину волны, и для эффективного управления ими … вам нужна действительно большая антенна», — пояснил он. «Но по мере того, как длина волны становится короче, как это происходит в случае инфракрасного света, который мы используем здесь сегодня, передатчик и приемник могут быть намного, намного меньше». По словам Джеффа, фотоэлектрические элементы приемника аналогичны фотоэлектрическим элементам типичной солнечной панели, хотя они спроектированы так, чтобы быть чувствительными к одному цвету света лазера, а не к широкому спектру солнечного света.Они преобразуют эту конкретную длину волны с гораздо большей эффективностью, чем обычные солнечные фотоэлектрические устройства. Стоя рядом с монитором, показывающим прямую трансляцию с дорогостоящей узкоспециализированной камеры, которая фиксировала невидимый лазерный луч в виде пурпурного света, проникающего через темное пространство бассейна, Джеффе назвал систему энергетического излучения замечательной новой возможностью. Он сказал, что это может открыть всевозможные удивительные возможности для Министерства обороны и частного сектора. U.Инженер-электронщик лаборатории морских исследований Пол Яффе стоит рядом с монитором, на котором отображается прямая трансляция с узкоспециализированной камеры, которая улавливает невидимый лазерный луч в виде пурпурного света. Предоставлено: Леонард Пьетон. Представьте, что вы используете его для передачи энергии в удаленные, труднодоступные места или места, где отсутствует инфраструктура, — предложил он. Еще одно возможное применение технологии — питание беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), время полета которых в настоящее время сильно ограничено временем автономной работы на борту.Третья фаза проекта PTROL будет включать использование лучей мощности для передачи энергии летающему БПЛА. «Если у вас есть электрический дрон, который может летать более часа, у вас все хорошо», — сказал Джефф. «Если бы у нас был способ держать эти дроны и БПЛА в воздухе бесконечно долго, это имело бы далеко идущие последствия. С помощью Power Beaming у нас есть путь к тому, чтобы сделать это». Также на демонстрации присутствовал Эрик Фоллстад из отдела трансформации и разработки концепций в U.С. Центральное командование. Он сравнил предлагаемую возможность передачи мощности БПЛА с дозаправкой пилотируемых самолетов в воздухе. «Я думаю, что это просто логическое продолжение [этой] концепции», — сказал Фоллстад. «Теперь мы можем выполнить подзарядку в воздухе некоторых из этих электрических платформ, на которых мы летали». По словам Джаффе, передача энергии могла бы также сделать возможной передачу энергии от спутников, собирающих солнечную энергию в космосе, на землю, где бы это ни было необходимо — будь то передовая оперативная база, развивающаяся страна или лагерь беженцев.(Электроэнергия для демонстрации в тот день подавалась от электрической розетки в здании.) «Если бы мы могли запечатлеть безграничный солнечный свет в космосе, где он ярче, чем где-либо на Земле, [мы могли бы] отправить его в места, где сегодня трудно и дорого получать энергию», — сказал он. «Если мы сможем сделать это эффективно и сделать для энергии то, что GPS сделал для навигации, это было бы поистине революционным». Двухкиловаттный лазерный передатчик на вершине башни высотой 13 футов, часть системы лучей дальнего действия в свободном пространстве.Предоставлено: Леонард Пьетон. Однако наиболее заметным аспектом демонстрации, по мнению Джеффа и Ньюджента, были интегрированные системы безопасности технологии. В тот день на испытательном стенде никто не был в очках для защиты от лазера или в каком-либо другом защитном снаряжении, включая персонал, работающий с системой. Для сравнения: для обычного лазера мощностью всего 1/2 Вт требуются защитные очки. Практически все демонстрации мощных лучей в прошлом были связаны, по крайней мере, с риском воздействия опасной плотности энергии, будь то оптические, радио- или микроволновые частоты.Безопасность этой новой системы была подтверждена Главной морской технической лабораторией лазерной безопасности (LNTL-LS). «В этом случае системы безопасности практически исключают возможность воздействия опасного уровня энергии», — сказал Джаффе. Среди проблем, с которыми пришлось столкнуться разработчикам, — это влияние снега, дождя и других погодных явлений, мешающих лазерному лучу. Но дизайнеры также много думали о перспективе людей или животных, пересекающих луч и непреднамеренно получивших «лицо, полное лазера», как выразился Ньюджент. Чтобы предотвратить такие несчастные случаи, система безопасности предназначена для обнаружения объектов до того, как они достигнут лазерного луча, и его выключения. Рядом с высоким приемником стоял Ти Джей Сэйлз, старший разработчик технологий, который руководит разработкой продуктов для PowerLight Technologies. Он держал длинный стержень, на конце которого был прикреплен картонный диск диаметром 15 миллиметров, одна сторона которого была окрашена в белый цвет, а другая — в черный. Сейлз назвал диск «аналогом постороннего предмета».« Несколько посетителей демонстрационного стенда проекта «Мощность, передаваемая через лазер» (PTROL) возле двухкиловаттного лазерного передатчика системы. Предоставлено: Леонард Пьетон. Чтобы продемонстрировать систему безопасности для толпы, Сэйлз отключал ее, размахивая диском перед фотоэлектрическими элементами приемника. Каждый раз, когда он это делал, лазерный луч отключался, и участники могли подтвердить этот факт, наблюдая за инфракрасной трансляцией в прямом эфире на ближайшем мониторе. «Мы обнаруживаем посторонние предметы, когда они приближаются к лучу, и мы выключаем луч, прежде чем они смогут войти в него, и мы проверяем, свободен ли путь луча, прежде чем мы его снова включим», — объяснил Сэйлз.«Процедура автоматического перезапуска занимает несколько секунд». В будущем PowerLight намеревается увеличить мощность, которую может передавать лазерный луч, увеличить расстояние, на которое система может его послать, и повысить общую эффективность системы. Наджент сказал, что хочет, чтобы процесс управления был таким же простым, как включение выключателя света или включение удлинителя. «Вам не нужно проходить пару дней обучения, чтобы подключить удлинитель», — сказал Наджент. «Это беспроводной удлинитель.Так что вам не нужно проходить целую кучу тренировок, чтобы работать с ним ». Система получила поддержку и одобрение военно-морского флота, морской пехоты, армии и ВВС. Ожидается, что в ближайшем будущем он будет готов к передаче Министерству обороны и коммерческому использованию. Дроны с лазерным приводом могут преодолеть препятствия на выносливость Предоставлено Ссылка : Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, никакие исследований в области технологии беспроводной передачи энергии лазером | JAXAИсследование технологии беспроводной лазерной передачи энергииТермин «ЛАЗЕР» означает усиление света за счет вынужденного излучения излучения.Лазеры — это разновидность искусственного света с однородной фазой и длиной волны. Основным свойством лазера является малый угол расходимости, который очень мало распространяется по мере того, как он выступает дальше от своего источника. Лазеры также достаточно малы, чтобы поместиться в компактную аппаратуру, что делает их идеальными для межорбитальных систем оптической связи и других систем для связи на больших расстояниях. SSPS на основе лазера (L-SSPS) использует эти уникальные свойства для отправки лазерной энергии на солнечной энергии из космоса на Землю, где она преобразуется в электричество. Коэффициент пропускания лазерных лучей зависит от их длины волны. Исследовательская группа SSPS изучает технологию беспроводной передачи энергии лазером, работающую на длине волны около 1070 нм (ближняя инфракрасная область) и непрерывная волна (CW). Характеристики лазеров как среды передачи энергии
Исследования и разработки в области технологии управления лазерным лучомМодель L-SSPS Исследовательская группа SSPS занимается исследованием и разработкой технологии управления направлением лазерных лучей. Лазерный луч должен быть направлен с точностью до 1 мкрад (5.7 × 10 -5 град), чтобы ограничить расхождение до нескольких десятков сантиметров при передаче с низкой околоземной орбиты (НОО) на высоте нескольких сотен километров. При передаче с геостационарной орбиты (GEO), расположенной на расстоянии 36000 километров, она должна быть наведена с точностью до 0,1 мкрад (5,7 × 10 -6 градуса), чтобы ограничить расхождение до нескольких десятков метров. Чтобы достичь такой точности, команда выбрала метод управления направлением луча, основанный на создании взаимной лазерной связи между наземным и космическим сегментами.Наземный сегмент посылает пилотный лазерный луч в космический сегмент, который отправляет обратно маяковый луч в зависимости от угла, под которым пилотный луч достигает. Затем мощный главный лазерный луч посылает на Землю электроэнергию. В настоящее время команда стремится достичь точности 1 мкрад в качестве ближайшей цели с целью достижения в конечном итоге точности 0,1 мкрад. Лазеры чувствительны к воздействию атмосферных возмущений у земли. Атмосферное возмущение значительно искажает пилотный луч, посылаемый от земли к космическому аппарату, заставляя космический аппарат обнаруживать флуктуации угла прихода пилотного луча.Колебания могут быть компенсированы Fast Steering Mirror (FSM), устройством, которое быстро корректирует угловое отклонение луча, чтобы гарантировать, что маяковый лазер и основные лазерные лучи могут быть направлены на точку наземной приемной системы. Оптические каналы связи между космическим кораблем и землей устанавливаются с использованием аналогичного подхода, но оптика для космического корабля L-SSPS отличается двумя важными способами. Во-первых, приборы должны быть спроектированы для работы с лазерами гораздо более мощного класса, чем лазеры, используемые для оптической связи.Во-вторых, он должен передавать энергию с максимальной эффективностью, чтобы наземная приемная система принимала большую часть лазерной энергии, передаваемой через основные лазерные лучи, и преобразовывала ее в электричество. Лазерный генератор и наземный приемникЛазерный генератор, выбранный в настоящее время для L-SSPS, — это волоконный лазер CW, мощность которого растет экспоненциально в течение многих лет. Волоконные лазеры широко используются в бурении, сварке и других отраслях обработки материалов.В настоящее время коммерчески доступны мощные типы с выходной мощностью до 10 кВт на длине волны 1070 нм (ближний инфракрасный). Ожидается, что после дальнейшего изучения материалов, терморегулирования, более высокой мощности и эффективности эти коммерческие лазеры будут адаптированы для применения в космосе. Наземное приемное устройство должно эффективно преобразовывать лазер в электричество. Исследовательская группа SSPS изучает высокоэффективное преобразование лазера с заданными длинами волн с использованием элементов фотоэлектрического преобразования, таких как InGaAs. Наземная демонстрация лазерной беспроводной передачи энергии Испытательный полигон (Космический центр JAXA Kakuda) Исследовательская группа SSPS работает над наземными демонстрациями беспроводной передачи энергии с помощью лазера с целью достижения высокоточного управления направлением луча даже под воздействием атмосферных возмущений. Исследовательская группа SSPS провела серию тестов на горизонтальное пропускание лазера на 500 м на своем полигоне в 2012 и 2013 годах, продемонстрировав, что луч можно контролировать с точностью до 1 мкрад, когда атмосферные возмущения были относительно слабыми. Тем не менее, флуктуации угла прихода лазера нельзя было должным образом контролировать при ярком солнечном свете, являющемся основным источником атмосферных возмущений у земли. В следующем раунде испытаний команда будет передавать лазерный луч с вершины башни высотой 200 метров на землю по пути, аналогичному пути космос-земля L-SSPS.Команда рассчитывает достичь стабильного управления направлением луча даже при ярком солнечном свете из-за более короткого времени, затрачиваемого на прохождение через приземные атмосферные возмущения. Выходная мощность основного лазера будет до 500 Вт. Демонстрация, которую планируется начать в 2016 финансовом году, будет нацелена на точность 1 мкрад. Наземная демонстрация 200-метровой вертикальной лазерной беспроводной передачи энергии Вызовы технологическиеВ нашей работе по разработке беспроводной передачи энергии лазера перед нами стоит несколько задач.
. |