Сегодня различные типы лазеров используются во многих отраслях науки, техники, на производстве и в медицине. Даже в повседневной жизни мы все чаще встречаем эти электронные приборы. Однако всего лишь каких-то 50-60 лет назад о лазере мало кто знал, да и самого прибора, по сути, еще не существовало – были лишь обособленные разработки в этой области и неиссякаемый энтузиазм некоторых ученых.
Название «лазер» произошло от первых букв слов Light Amplification by Stimulated Emisson Radiation, что в переводе означает: усилитель микроволн с помощью вынужденного излучения. Впервые разработкой лазера занимались в СССР А.Прохоров и Н.Басов. Вначале работали с радиочастотами. В 1956 году Н.Г.Басов написал и защитил докторскую диссертацию: «Молекулярный генератор», в которой рассматривались возможности применения принципов и методов квантовой радиофизики на оптический диапазон частот, были созданы принципиально новые квантовые генераторы и усилители радиочастотного диапазона – мазеры, первым из них был мазер на молекулах аммиака. В 1959 году Н.Г.Басову и А.М.Прохорову была присуждена Ленинская премия за открытие нового принципа генерации и усиления электромагнитного излучения на основе квантовых систем. Эти открытия и исследования, а так же, примерно в то же время, проводимые в США Ч.Таунсом, дали рождение и развитие новой области физики – квантовой электроники.
Первый рабочий лазер на основе искусственного рубина представил американский физик Теодор Майман 7 июля 1960 года. В 1962 году Н.Г.Басов и О.Н.Крохин высказывают идею о создании термоядерного синтеза при нагревании мишени излучением лазера. Так появилось новое научно-техническое направление – лазерный термоядерный синтез (ЛТС), что привело к созданию различных типов лазеров (на тот момент были только твердотелые лазеры с энергией в импульсе меньше джоуля и непрерывные газовые лазеры с малой мощностью – меньше ватта). В 1964 году Н.Г.Басов, А.М.Прохоров и Ч.Таунс (США) стали лауреатами Нобелевской премии за фундаментальные исследования в области квантовой электроники, приведшие к созданию мазеров и лазеров.
Лазер представляет собой оптический квантовый генератор, прибор который излучает узкий пучок света. Он открывает небывалые возможности передачи энергии на любые расстояния со скоростью света. Обычный свет, который дают различные источники можно характеризовать, как небольшие пучки света, разлетающиеся в разных направлениях. Их можно сконцентрировать вогнутым зеркалом или линзой и даже разжечь костер, но энергия такого светового потока не сравнится с энергией лазерного луча.
Лазерный луч состоит из квантовых частиц света, это достигается путем принудительной активации атомов прозрачной среды, которая является основой лазерного излучения. Для того, чтобы вызвать лавинообразное излучение в рубиновом стержне, нужно ударить по атомам этого вещества энергией другого источника, например светом, образующимся при взрыве. Соударяясь с веществом рубина каждый внешний фотон выбьет из его атомов новый фотон, который будет двигаться с той же силой и в том же направлении и, столкнувшись с новым атомным ядром выбьет новую частицу света.
За счет полированных стенок рубина, которые действуют как отражающие зеркала, поток фотонов много раз пройдет этот путь, достигая большой плотности. В этот момент наклон зеркальной поверхности может быть изменен и луч большой энергетической мощности выстреливается наружу. Чтобы добиться испускания лазерного излучения, необходимо к рабочему веществу лазера подключить источник энергии, вызывающий возбуждение атомов. Этот источник называется «накачка». В лазерах с газовой активной средой накачка – это тлеющий электрический заряд, для твердотелых лазеров применяется импульсная лампа, для жидкостных можно использовать свет дополнительного лазера, для полупроводниковых – электрический ток. И соответственно, лазерные устройства делятся на: твердотелые лазеры, газовые лазеры, лазеры на красителях, эксимерные, на парах металла, полупроводниковые, на свободных электронах, химические, волоконные.
Первыми в мире были созданы твердотельные лазеры. У них луч рождается внутри стекол, кристаллов, драгоценных камней. Эти кристаллы и камни не добываются на карьерах, а выращиваются в лабораториях, внутри специальных камер идет химическая реакция, под действием высокой температуры (около 2500оС) день за днем, микрон за микроном, в результате появляются синтетические кристаллы – активная среда для твердотельных лазеров.
Из твердотелых лазеров раньше всех были разработаны рубиновые лазеры. Лазерный луч – это усиленный или концентрированный свет, а кусочек рубина играет роль такого усилителя, он называется – активная среда. Если с двух сторон рубина поместить зеркала и создать мощную вспышку, свет будет бегать между ними, отражаясь много раз и при этом, усиливаясь в активной среде, пока не превратится в лазерный луч. В активной среде лазерный луч рождается когерентным, т.е. частицы света в нем не мешают друг другу и летят параллельно, у них одна длина волны и узкий спектр излучения. Чтобы выпустить лазерный луч наружу – одно зеркало делают полупрозрачным. Вместо рубиновой активной среды может использоваться другая, из множества перечисленных выше вариантов.
Газовые лазеры – используют в качестве активной среды – смесь газов и паров. Плотность газа в лазере невелика, создается оптическая однородность, свет не рассеивается и световой луч не искажается, что позволяет увеличить расстояние между зеркалами, но высокой мощности достичь не получается, так как в газе содержится меньшее количество возбужденных атомов, излучающих свет по сравнению с твердым телом. Существуют три типа газоразрядных лазеров: ионные лазеры, лазеры на нейтральных атомах, молекулярные лазеры. Различаются они диапазоном генерируемых волн и механизмом образования инверсии населенности (т.е. когда количество атомов активной среды, которые находятся в возбужденном состоянии, становится больше количества атомов с низкой энергией, происходит инверсия).
Лазеры на красителях. Активная среда – органические красители на основе бензола. Мощность излучения измеряется десятками Ватт, достигается непрерывное излучение, и могут быть ультракороткие импульсы.
Эксимерные лазеры – разновидность газовых. Активная среда – смесь инертных газов. Используются энергетические переходы эксимерных молекул, способные существовать лишь некоторое время в возбужденном состоянии, создающих короткоживущие соединения.
Лазеры на парах металла. Могут использоваться 27 видов металла, ионы и атомы которых имеют соответствующую структуру для создания инверсной населенности энергетических слоев. Например: лазеры на парах меди излучают зеленый свет, и мощность достигает 40 Вт, длина волны 510,4 и 578,2 нм.
Полупроводниковые – активная среда – полупроводниковые кристаллы, имеют широкий диапазон длины волны, обладают малой когерентностью, образуются избыточные электроны или их недостатки (дыры), при их рекомбинации энергия электрического тока преобразуется в излучение. Накачка проводится электротоком, электронами, световыми пучками. Имеют большой КПД и маленькие размеры, мощность в импульсе до 1МВт, могут работать и в непрерывном режиме. Длина волны от 0,3 до 40 мкм.
Лазеры на свободных электронах. Используется излучение электронов, которое колеблется под воздействием внешнего магнитного или электрического поля. Диапазон волны от 6 нм (рентгеновское излучение) до СВЧ излучения 12,25 см. Частота излучения таких лазеров плавно может меняться в широком диапазоне при изменении скорости движения электронов.
Химические лазеры. В качестве активной среды обычно используют смесь фтора с молекулярным водородом. Происходят экзотермические химические реакции (т.е. с выделением тепла). Могут работать в импульсном или непрерывном режиме.
Волоконные лазеры. Активная среда – оптическое волокно, накачка – широкополостные светодиоды или лазерные диоды. Оптическое волокно изготавливается из кварца, высокая прозрачность которого обеспечивает насыщенное состояние энергетических уровней атомов. Примеси, вносимые в кварц, превращают его в поглощающую среду, создавая инверсное (неоднородное) состояние заселенности энергетических уровней при определенной (подобранной экспериментально) мощности накачки. Обладают высоким оптическим качеством излучения, обладают небольшими размерами, можно встраивать в волоконные линии.
Излучение лазера обладает уникальными свойствами, которые нашли применение в различных отраслях науки и техники, в быту, промышленности и военном деле. Полупроводниковые лазеры используют для прицелов оружия и указок, в проигрывателях компакт-дисков, для освещения в мощных прожекторах, маяках. Газовые лазеры применяют в геодезических целях (исследования состояний земной породы), в метрологии, для записи голограмм. Лазеры на красителях используют для зондирования атмосферы. Лазеры на парах металла применяют в промышленности для резки, сварки, различной обработке материалов. Эксимерные лазеры – в медицине для терапевтического и хирургического лечения. Волоконные – для тонких, точных работ, – таких как гравировка, резка металлов, маркировка товара. А так же лазеры широко используются в информационных технологиях, в шоу программах.
Применение лазера в промышленности. Лазеры в промышленности применяют для обработки всех видов современных материалов: резка пластика, металла, стекла, дерева. При этом применяется дополнительно сфокусированный луч с помощью линзы, которая превращает луч в очень тонкий, с высокой концентрацией энергии, что позволяет значительно сэкономить мощность потребляемой энергии. Под воздействием луча (при сверхвысоких температурах) вещество плавится и испаряется, при такой технологии нет большого количества отходов, края получаются без неровностей и заусениц и не требуют дополнительной обработки. Широко используется в промышленности лазерная гравировка, которую можно сделать на любом материале. Преимущества лазерной гравировки – это долговечность (устойчивость к стиранию, воздействию внешней среды), точная передача рисунка будь то логотип, фотография, узоры, любые изыски дизайнеров.
Широко применяется лазер в медицине. Благодаря использованию широкого диапазона длины волн и энергии воздействия лазер нашел применение в терапии, хирургии, диагностике, косметологии. Лазерный скальпель может воздействовать на ткань для коагуляции (сворачивания крови) при лечении сосудистых, пигментных дефектов кожи, шлифовке и полировке кожи. Более мощное воздействие – это лазеры испаряющие ткань для неглубокого воздействия. И есть мощные – глубоко режущие. Для дробления камней в человеческом теле – используется лазерный литотриптер. При контакте конца волокна с камнем, излучение образует искру, выходная мощность лазера при этом достигает 1,6 Вт, разрушает камень, оставляя целыми мягкие ткани (что достигается правильным подбором длины волны). При этом практически нет ударной волны, и камень не отлетает, травмируя при этом ткани. В диагностике используется лазерный сканер, который пропускает лучи через ткани тела и по степени рассеивания светового потока определяют наличие или отсутствие заболевания.
В информационных технологиях – это вычислительная техника, лазерный принтер, оптическая цифровая память, лазерно-оптическое считывание информации, системы связи. Основной принцип работы этих устройств это преобразование и взаимодействие между электрическими сигналами, цифровыми носителями и световыми импульсами.
В шоу программах применяются лучи лазера различных цветов. Лазерный свет монохроматичен, т.е. состоит из излучения одной частоты, в отличие от обычного цвета, который состоит из многих цветов, что легко проверить, пропустив свет через призму. Обычный свет разложится на спектр цветов, а лазерный луч при выходе из призмы будет таким же. Цвет луча можно создать при помощи красителей (родамин – оранжевая краска позволяет получить луч лазера от желто-зеленого до красного цвета, диэтиламинометил-кумарин – луч интенсивного голубого цвета). Лазерные указки бывают красного, зеленого, желтого, фиолетового, синего цвета. Разные цвета получаются в зависимости от цвета лазерного диода и путем комбинации частот при использовании различных кристаллов.
В военной сфере для убийства и разрушения лазер, к счастью, не удается (пока!) использовать, несмотря на миллиарды долларов, потраченных для этих целей. Но для ослепления, например, наводчиков, и выжигания матриц оптической аппаратуры, в советской армии были разработаны лазерные установки на самоходном бронированном шасси. В земной атмосфере лазерный луч неэффективен, т.к. атмосфера легко рассеивает и поглощает лазерное излучение. Например: мощная лазерная установка, которая на расстоянии 1 метра проделает дыру в деревянном бруске, на 10 метров уже менее эффективна. В свое время были предложены даже такие страшные идеи, – использовать для накачки лазера ядерный взрыв, но от нее отказались, как от нецелесообразной. И действительно, в мире и так уже существует много способов уничтожить человечество, и с таким количеством накопленного оружия, что с его помощью, можно это сделать несколько раз.
Лазер эффективен в космическом безвоздушном пространстве. Кстати, в космосе луч увидеть невозможно, луч виден только в какой-то среде (туман, дым, пыль и пр.). Поэтому космические войны выглядели бы в реальности не так красочно, как в фантастических фильмах.
Первый лазерный пистолет был создан в СССР в 1970 годах. Для защиты космических станций, спутников: если подлетает необитаемый корабль, то достаточно воздействовать лучом на его оптико- электронику, а если человек в скафандре – луч с 4-х метров прожигает глазное яблоко, на расстоянии 20 метров ослепляет на пару секунд, ближе 20 метров возможны ожоги, полная или частичная потеря зрения. Фоточувствительные датчики оптических систем тоже выходят из строя. Энергия выстрела такого пистолета - в пределах 10 Джоулей, что сравнимо с пулей, выпущенной из мощной пневматической винтовки. В военном деле так же применяется лазерная локация, лазерные навигационные системы.
Лазер – это устройство, создающее узкий пучок интенсивного света. В работе лазера используется свойство электронов атома занимать только определенные орбиты вокруг своего ядра. Когда атом получает квант энергии, он может перейти в возбужденное состояние, которое характеризуется перемещением электронов с самой низкой энергетической орбиты (так называемый основной уровень) на орбиту с более высоким энергетическим уровнем. Однако электроны не могут долго оставаться на орбите с высокой энергией и самопроизвольно возвращаются на основной уровень, при этом каждый такой электрон испускает фотон (световую волну). Процесс, начавшийся в одном атоме, запускает цепную реакцию перехода электронов других атомов на более низкие энергетические орбиты, в результате чего образуется лавина одинаковых световых волн, согласованно изменяющихся во времени. Эти волны формируют световой луч, который у некоторых лазеров имеет столь высокую мощность, что может резать камни и металлы.
Лазерный пучок содержит свет только одной длины волны и может быть сфокусирован линзой практически в точку. Естественный свет, состоящий из лучей с различными длинами волн, так резко не фокусируется. Способность концентрировать огромную энергию в узком луче и передавать этот луч на большие расстояния практически без рассеяния и ослабления, характерных для многоцветного света, делает лазер важнейшим инструментом в руках человека.
Лазерный луч – это очень мощный, собранный в узкий пучок поток световой энергии. Или, точнее, поток фотонов. В отличие от света обычного фонаря, лазерный луч почти не рассеивается и может, сохраняя свою энергию, проходить большие расстояния и даже пробивать препятствия на своем пути. Для получения лазерного луча нужен лазерный генератор (лазер).
Если к атому приложить большое количество энергии, например, нагреть или направить на него мощный поток света, с ним происходит одно важное превращение. Электроны перемещаются с более низких, то есть более близких к ядру орбит (или, правильнее, орбиталей), на более высокие. Так атом поглощает энергию и переходит, как говорят ученые, из основного состояния в возбужденное состояние. Однако долго в возбужденном состоянии атом пребывать не может. Он стремится отдать поглощенную энергию. Электрон, «вытянутый» на более высокую орбиту, рвется снова вниз, ближе к ядру. В момент перехода обратно в основное состояние, электрон выбрасывает частичку, или, по-другому, квант света.
Выброс фотона после перехода атома в основное состояние мы наблюдаем ежедневно. Вот мы включили электротостер, и вскоре его металлическая спираль засветилась красным светом. Это в атомах под действием жара электроны перескочили на верхнюю орбиту, затем вернулись назад и выбросили фотоны красного цвета. То же происходит в обычной лампочке накаливания. Или, например, на экране телевизора каждое мгновение атомы фосфора переходят в возбужденное состояние, а потом возвращаются в основное, отправляя в путь фотоны разных цветов.
А чем же тогда луч света от лампочки отличается от лазерного луча? Лазерный луч, в отличие от светового луча, например, от лампочки, состоит из фотонов с одной длиной волны, а значит у него всегда один цвет. Цвет луча лазера зависит от вида лазера. Колебания световых частиц в лазерном свете, в отличие от луча света лампочки, происходят синхронно. Как этого добились? Между двумя круглыми зеркалами вставлен рубиновый стержень. Это – искусственно выращенный в лаборатории драгоценный кристалл, который по составу своему ничем не отличается от природного редкого минерала. В основном кристалл рубина состоит из атомов алюминия и кислорода и некоторого количества атомов хрома.
У рубинового стержня оба его конца упираются в зеркала. Одно зеркало полупрозрачное. Слабый поток фотонов оно отражает, но если поток мощный, часть фотонов проходит сквозь зеркало. Вокруг рубинового цилиндра установлена стеклянная спираль. Это наполненная газом лампа. При прохождении сквозь нее электрического разряда в этой лампе возникает мощная вспышка света. От этой вспышки атомы хрома в рубине переходят в возбужденное состояние и выбрасывают фотоны. Часть выпущенных фотонов проходят сквозь стенки рубина наружу, но другие оказываются в западне и попадают сначала на одно зеркало, отражаются от него, несутся к другому, и, отражаясь, начинают метаться между зеркалами. Со скоростью света они носятся по прямой линии между двумя зеркалами.
На своем пути фотоны ударяются о другие атомы, выбивая и них новые фотоны. С каждым мгновением фотонов в потоке между зеркалами становится все больше. Наконец этот поток «пробивает» полупрозрачное зеркало и сквозь него прорывается так называемый «лазерный луч», состоящий из потока совершенно одинаковых световых частиц, двигающихся строго в одном направлении.
Лазерное оружие – это вид вооружения, использующий в качестве поражающего средства лазерный луч. Прототипы лазерного оружия разрабатываются различными государствами и компаниями с 70-80-х годов XX века.
Его поражающее действие по цели определяется термомеханическим и ударно-импульсным воздействием, которое может привести к временному ослеплению человека или к механическому разрушению (расплавлению или испарению) корпуса поражаемого объекта (ракеты, самолета и др.). Поскольку ручное лазерное оружие создать на данный момент проблематично (прежде всего, из-за больших размеров необходимых элементов питания), основным направлением разработок являются крупные мобильные и стационарные системы наземного, морского и воздушного базирования.
Лазерное оружие характеризует: скрытность применения (отсутствие пламени, дыма, звука); высокая точность; практически мгновенное, сопоставимое со скоростью света, действие; возможность применения в пределах прямой видимости. Однако его поражающее действие в определенной степени снижается в сложных метеоусловиях (туман, дождь, снегопад, задымленность и запыленность атмосферы).
Лазерное оружие в СССР и России
С середины 1950-х годов в СССР осуществлялись широкомасштабные работы по разработке и испытанию лазерного оружия высокой мощности, как средства непосредственного поражения целей в интересах стратегической противокосмической и противоракетной обороны. Среди прочих были реализованы программы «Терра» и «Омега». Испытания лазеров осуществлялись на полигоне Сары-Шаган (ПВО, ПРО, ПКО, СККП, СПРН) в Казахстане. После распада Советского Союза работы там были остановлены. Второй прототип А-60 позднее был перебазирован на территорию России и по некоторым сведениям с 2011 года задействован в программе «Сокол-Эшелон», одним из участников которой является концерн «Алмаз-Антей», а целью – разработка лазерного комплекса противодействия космическим средствам наблюдения.
Лазерное оружие в США
В США существуют программы использования лазерного оружия. Пример этого – известная программа «Звёздные войны» – программа стратегической оборонной инициативы (СОИ). В ней существует концепция использования лазерного оружия для перехвата ракет.
Лазерное оружие в Китае
При участии Китайской Академии Технической Физики был лазер мощностью 10 кВт, способный сбивать беспилотные летательные аппараты.
Технологический научный прогресс вывел лазер на боевой уровень. Американская компания Lockheed Martin провела успешное боевое испытание лазерной пушки мощностью 58 киловатт! И уже очень скоро мощнейшие лучевое орудие поступит на вооружение армии США. При помощи боевого лазера военные намерены уничтожать не только вражескую технику, но даже выпущенные мины, снаряды, ракеты, и, конечно же, беспилотники, самолеты и вертолеты противника.
Однако, несмотря на всю пользу от боевого лазера, все же более глобальное его предназначение находится в мирной плоскости. Именно на основе лазера разработана технология Фраксель, при помощи которой производится омоложение кожного покрова, а также удаление растяжек, рубцов, шрамов и прочих косметических изъянов на коже.
Стоит также отметить, что применение лазера в медицинских целях прошло испытание в несколько десятилетий. Еще в СССР, в 1965 году начали применять лазер в хирургических операциях. Этот удивительный луч положил начало новым направлениям в хирургии, в частности, при помощи лазера удается приваривать отслоившиеся сетчатки глаза. Это совершенно удивительный и уникальный вид операции, который подарил зрение тысячам пациентов.
Более того, при помощи лазерного луча стало возможным сваривание человеческих костей, а также мышечной ткани. Конечно же, сложно переоценить преимущества лазера в косметологии. Как уже указывалось выше, при помощи луча косметологи и пластические хирурги творят настоящие чудеса, дарят молодость и великолепный внешний вид.
Однако не только лишь медицинская отрасль и военная сфера продуктивно используют лазер в своих целях. Уже сегодня на базе лидирующих мировых компаний в области нанотехнологий ведутся непрерывные разработки космических дальномеров, при помощи которых можно не только измерять расстояние между планетой Землей и другими космическими объектами, но и изучать бесконечную Вселенную.
Сайт онлайн-аукциона eBay, тогда ещё не имеющий такого названия, был создан Пьером Амидьяром в 1995 году. Одним из первых проданных предметов на аукционе стала сломанная лазерная указка за 14,83$. Удивлённый Амидьяр спросил покупателя, действительно ли он понял, что предмет неисправен. Оказалось, что покупатель был коллекционером сломанных лазерных указок.
В 1984 году в СССР был разработан лазерный пистолет не смертельного действия. Он предназначался для самообороны космонавтов. Поражающее действие этого пистолета заключалось в выведении из строя чувствительных элементов оптических систем, в том числе глаз человека. А важным преимуществом по сравнению с обычным пистолетом в условиях невесомости было отсутствие отдачи. Сейчас лазерный пистолет является памятником науки и техники и экспонируется в Музее истории военной академии РВСН.
ТОП-5 новейших лазерных технологий
Мировые инженеры создали уникальные боевые лазеры, сверхскоростную систему передачи данных «кормушку» для клеток и космический «пылесос»
Как за 10 секунд вылечить 100 тысяч клеток
Похоже, мечта ученых о быстрой транспортировке лекарств в клетки организма становится реальностью. До недавнего времени этот процесс был медленным и малоэффективным: он занимал минуту, причем за это время можно было воздействовать лишь на одну клетку. Специалисты Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе разработали автоматизированное устройство BLAST (Biophotonic Laser-Assisted Surgery Tool – биофотонный хирургический инструмент с лазерным управлением), позволяющее доставлять наночастицы, ферменты, антитела, бактерии и другой «крупногабаритный груз» внутрь клеток со скоростью до 100 тысяч клеток в минуту. До сих пор единственным методом доставки крупных частиц размером до 1 микрометра внутрь клетки было устройство, напоминающее миниатюрный шприц. BLAST – это чип с отверстиями, под каждым из которых находится емкость с лекарством. С помощью лазерного импульса исследователи нагревают покрытие чипа, что приводит к мгновенному закипанию воды в лунках, прилегающих к поверхности клеток. В результате формируются пузырьки, лопающиеся в непосредственной близости от клеточной мембраны, образуя крупную пору, через которую жидкость поступает внутрь клетки. На все это уходит не больше 10 секунд, причем устройство одновременно обрабатывает до 100 тысяч клеток.
Жидкий хамелеон
Ученые из американского Северо-Западного университета разработали первые жидкие наноразмерные лазеры, которые могут менять цвет излучения. Это позволит применять технологию в таких актуальных, быстро развивающихся сферах, как лаборатории-на-чипе для медицинских и биохимических исследований, оптического хранения информации, при проведении медицинских процедур, в качестве источников света, создавать на их основе высокочувствительные биохимические датчики. Основой нового лазера является так называемая оптическая впадина, куда из внешнего источника попадают фотоны света. Полость впадины заполнена множеством золотых наночастиц, обладающих высоким коэффициентом отражения. Свет концентрируется в местах скопления таких частиц, фокусируется и усиливается. Цвет излучения лазера можно регулировать, если менять химический состав и концентрацию веществ, растворенных в заполняющей оптическую впадину жидкости. Такие изменения позволяют также регулировать длину волны. Бесспорное достоинство нового лазера – его дешевизна: благодаря простой конструкции, производство обойдется недорого. Нанолазеры могут функционировать как при комнатной температуре, так и при низких и высоких, а их миниатюрный размер обеспечивает высокую скорость работы и точнее, чем обычные лазеры, модулировать излучаемый свет четко определенной длины.
Li-Fi обеспечит рекордную скорость
По мнению специалистов отдела мобильных коммуникаций Эдинбургского университета, технологии оптической передачи данных Li-Fi могут стать полноценной заменой традиционным технологиям Wi-Fi, которые используют для передачи информации радиоволны. Более того, переход от светодиодных источников света к источникам на основе полупроводниковых лазеров позволит сделать системы освещения более экономичными и как минимум в 10 раз повысить скорость передачи через них данных. Li-Fi-системы модулируют свет, излучаемый светодиодными осветительными приборами. Чрезвычайно быстрое мерцание света невидимо для человеческого глаза, но специальный приемник, подключенный к компьютеру или встроенный в смартфон, способен легко ловить информационный сигнал и даже передавать данные назад к приемопередатчику, обеспечивая двухсторонние коммуникации. Что касается светодиодных ламп, то они не излучают свет напрямую. Используемый в них люминесцентный материал преобразует синий свет от светодиодов в белый, что ограничивает скорость светового потока, а соответственно – скорость передачи информации. Специалисты Эдинбургского университета показали, что замена светодиодов стандартными лазерными диодами может повысить эффективность осветительных приборов и ускорить передачу данных в системах Li-Fi. Для этого не требуется наносить люминесцентный материал: белый свет получается смешением света от нескольких лазеров, работающих на различных длинах световых волн. При этом каждая длина волны может использоваться как отдельный коммуникационный канал. Сейчас системы Li-Fi на основе светодиодов достигают скорости передачи данных до 10 гигабит в секунду, что превышает аналогичный показатель Wi-Fi-технологий: самые скоростные из них могут обеспечить только 7 гигабит в секунду. Специалисты говорят, что технология лазерного Li-Fi позволит повысить скорость передачи информации до 100 гигабит в секунду и больше.
Космический «пылесос»
Инженеры из японского Института физико-химических исследований RIKEN разработали технологию для очистки околоземного пространства от накопившегося там космического мусора, мешающего освоению и изучению космического пространства. Для этого будут использовать установленный на Международной космической станции мощный лазер, а также телескоп, изначально разрабатываемый для изучения эффектов воздействия на атмосферу космических лучей. В рамках проекта Extreme Universe Space Observatory (EUSO) его сейчас строят в институте RIKEN. В светлое время или во время сумерек, когда охота за вспышками света затруднена или невозможна, разрешающей способности сильной оптики телескопа будет достаточно для обнаружения высокоскоростных частиц космического мусора. А сбрасывать его с орбиты будут с помощью импульса оптоволоконного лазера CAN (Сoherent amplification network), изначально разработанного для накачки энергией ускорителей частиц. Такие лазеры могут вырабатывать необычайно мощные, но короткие импульсы света, затрачивая на это минимальное количество энергии. Силы такого лазера достаточно для уничтожения космического мусора: сдутый с поверхности, он войдет в земную атмосферу и сгорит там без следа.
Точно в цель
Известная оборонная и аэрокосмическая компания Lockheed Martin продемонстрировала свое новое лазерное оружие, способное поразить двигатель автомобиля с расстояния более 1,6 километров. Наземная система Advanced Test High Energy Asset (ATHENA) использует для поражения целей волоконно-оптический лазер мощностью 30 кВт. Система объединяет нескольких лазерных модулей и формирует один мощный луч, превосходящий 10-киловаттные лазеры других систем. ATHENA построена на базе существующей технологии Area Defense Anti-Munitions (ADAM) с портативным волоконным лазером мощностью 10 кВт. Эта установка, представленная год назад, легко поражает небольшие ракеты, беспилотные летательные аппараты и лодки. Lockheed Martin планирует использовать ADAM для оснащения военной авиации, морского флота и наземной техники. Параллельно свой боевой лазер Tactical Laser Weapon Module – фотонное энергетическое оружие, представила оборонная компания General Atomics. Относительно небольшой, универсальный автономный модуль размером в два кубометра можно установить практически на любой технике, даже на джипе. Система способна вырабатывать импульсы мощностью от 75 до 300 кВт, модули разной силы будут отличаться по размеру и весу. Кроме того, вес системы зависит от количества «выстрелов», которые она может произвести, пока не исчерпает заряд аккумуляторных батарей. Инженерам удалось добиться уникального отношение массы к энергонасыщенности установки: всего 4 килограмма на 1 кВт. Для управления системой используют специальный контроллер, подключаемый при помощи кабеля или беспроводных технологий. Нужно просто навести луч лазера на объект и нажать на кнопку. Для работы Tactical Laser Weapon Module не требуется его подключения к внешнему источнику энергии. General Atomics будет использовать Tactical Laser Weapon Module как дополнительное вооружение для вертолетов типа AC-130 или летательного аппарата V-22 Osprey.
Где только лазерные устройства не используются! Мощному лучу лазера хватит силы «дотянуться» до Луны и, ударив в специальные зеркала-отражатели, оставленные там когда-то американскими астронавтами и советским «Луноходом», вернуться на Землю. По оптоволоконным кабелям с огромной скоростью передаются компьютерные данные – в виде импульсов лазерных излучателей. Благодаря лазеру мы можем рассматривать голограммы – трехмерные, объемные снимки любых предметов. Лазерный луч считывает компакт-диски в компьютерах, музыкальных центрах и карманных плеерах. В больших магазинах лазерный сканер помогает прочитать штрих-коды и завести в кассовый аппарат информацию о товаре. Даже лазерные указки есть!
Лазерным технологиям за полвека удалось проникнуть почти во все сферы деятельности человека, это одно из самых значительных изобретений. И хотелось бы, чтобы высокий потенциал и нераскрытые возможности лазера и в будущем использовались только для исцеления, созидания и творчества.
|
