Зажигая лазер внебесах: теория иэксперименты

Зажигая лазер внебесах: теория иэксперименты

Лазеры в далеком прошлом стали привычной частью нашей жизни, и по сей день вряд ли возможно отыскать современного человека, что не видел его либо не держал в руках. На производстве лазер режет страницы разных материалов, дома считывает музыку с дисков, а на улице осуществляет контроль скорость. Машины оснащаются лидарами (лазерными радарами), каковые неутомимо ощупывают окружающую обстановку в отыскивании велосипедистов, других автомобилей и пешеходов, предотвращая столкновения.

Лазеры употребляются и для изучения воздуха, например, на предмет наличия в ней разных загрязнений. Когерентное узкополосное и узконаправленное излучение лазера делает его эргономичным инструментом для дистанционного (на расстоянии в десятки метров) обнаружения разных страшных веществ. Подобные устройства на базе лидаров необходимы для контроля обстановки на разных опасных промышленных объектах, для мониторинга последствий разных техногенных трагедий либо при террористических атак.

Лидары

Действительно, лидарные устройства для изучения воздуха имеют большой недочёт. Дело в том, что когерентное лазерное излучение может рассеиваться в обратном направлении лишь на кристаллической решетке (в жёстких телах). А в газах данный процесс неосуществим, потому, что запрещен законом сохранения импульса.

Обойти это фундаментальное ограничение нереально, исходя из этого лидарный мониторинг разбирает рассеянный в обратном направлении некогерентный сигнал, несущий столь малую часть энергии начального импульса, что данный способ не хорошо трудится днем (а в ясную солнечную погоду может не трудиться вовсе), так как нужный сигнал через чур не сильный на фоне шума.

Попытки обойти эти ограничения предпринимались много раз. самый простой метод лазерного мониторинга воздуха — создание постоянной оптической автострады, на одном финише которой будет размещен лазер, а на втором — приемник (как вариант — простое зеркало). Но сделать такое возможно не всегда.

Второй вариант — схема зондирования воздуха радарами и лидарами — предполагает, что обнаружение происходит посредством лазера, излучение которого ионизирует воздушное пространство в присутствии определенных веществ, а данные об этом ходе мы приобретаем при помощи радарного СВЧ-излучения, отражаемого созданным плазменным зеркалом. Но и такая схема трудится не через чур действенно, потому, что «зеркало» имеет форму иглы, которая не хорошо «видна» посредством радаров.

Без зеркал

Но из-за чего бы не создать в воздухе вместо иглообразного «зеркала» полноценный лазер? Мысль думается фантастикой только на первый взгляд. «В действительности в определении лазера ничего не говорится ни о каких зеркалах либо резонаторах, — говорит заведующий лабораторией фотоники и нелинейной спектроскопии физического факультета московского университета, начальник группы «Передовая фотоника» Российского квантового центра Алексей Желтиков. — Лазер — это усиление света при помощи вынужденного излучения (light amplification by stimulated emission of radiation). Для работы лазера нужна активная среда, в которой возможно посредством накачки создать инверсию населенностей, и в случае если коэффициент усиления будет достаточным, возможно создать лазер по большому счету без резонатора — в однопроходной схеме».

В 1980-х годах ученые в шведском Университете Лунда, изучая процессы горения в двигателях внутреннего сгорания, решили применять для мониторинга скоро происходящих химических реакций лазерное излучение. К собственному удивлению, они нашли сильный направленный паразитный сигнал в обратном направлении.

Опыты продолжили исследователи Принстонского и Техасского университета AM в 2011 году. Применяя титан-сапфировый лазер с импульсами в 100 пикосекунд с длиной волны 226 нм, ученые взяли в ответ обратный когерентный лазерный сигнал с длиной волны 845 нм. Активной средой в этом случае выступал кислород, причем накачка происходила достаточно экзотически: сперва молекула кислорода, поглощая сходу два фотона, диссоциировала на атомы, а после этого атомы возбуждались в следствии еще одного двухфотонного поглощения.

«Это прежняя первая демонстрация концепции «лазера на воздухе», air laser, — поясняет Алексей Желтиков. — Мы позже повторили эти опыты, и за счет более узкой спектральной линии в долгом 10-наносекундном импульсе добились увеличения мощности обратного сигнала в 300 раз, с 1 нДж до 300 нДж. Но лазер на атомарном кислороде малоэффективен — для вправду действенного лазера, поджигаемого на громадном расстоянии, требуется применять еще кое-какие нелинейные эффекты».

Прожигая дорогу

«Луч от маломощного лазера неспешно расходится за счет дифракции, — говорит Алексей Желтиков. — Но достаточно замечательное излучение начинает взаимодействовать с молекулами вещества, в котором происходит распространение, «раскачивая» электроны в молекулах и атомах. Потому, что распределение интенсивности излучения по сечению неравномерно — в центре пучка она больше, чем на краях, — на пути пучка создается хорошая линза, и появляется так называемый эффект самофокусировки».

Диаметр лазерного луча значительно уменьшается, а интенсивность излучения возрастает , пока оно не начнёт вырывать электроны из молекул и атомов. В центре пучка электронов образуется больше, чем по краям, они играют роль отрицательной линзы, как очки, компенсирующие близорукость. Образуется филамент — плазменный канал, на протяжении которого распространяется лазерное излучение.

Как правило филаментация вредна: плазма взаимодействует с лазерным излучением, поглощая его энергию и образуя непрозрачную среду. «Так происходит, в случае если применять долгий лазерный импульс: плазменный фронт бежит навстречу импульсу, поглощая его энергию, — растолковывает Алексей Желтиков. — А вдруг импульс меньше одной пикосекунды, появляется занимательный эффект: лазерный импульс сам прокладывает себе канал, где дифракция компенсируется самофокусировкой, и световой пучок больше не расходится. В таком филаменте смогут реализовываться условия, нужные для лазерной генерации. Это разрешит взять лазер на молекулярном азоте в воздухе, что возможно поджигать на значительно б? льших расстояниях, чем кислородный атмосферный лазер».

Простой азотный лазер с длиной волны 337 нм прекрасно известен, но в воздухе, не считая азота, содержится еще и кислород, что мешает созданию инверсии населенностей молекул азота. Обойти это возможно, к примеру, повысив давление либо увеличив длину волны.

Последний подход, по словам Алексея Желтикова, значительно более перспективен, потому, что разрешает создать дистанционно поджигаемый лазер в воздухе, закачать в активную среду значительно больше энергии, существенно повысив эффективность генерации обратного сигнала: «Но пиковая мощность импульса в лазерном филаменте ограничена порогом самофокусировки, возрастающим пропорционально квадрату длины волны лазерного излучения. В большинстве случаев опыты по филаментации выполняются посредством титан-сапфировых лазеров, генерирующих излучение с длиной волны 800 нм.

На данной длине волны пиковая мощность импульса в атмосферном филаменте порядка 10 ГВт. При повышении пиковой мощности лазерный пучок делается неустойчивым — образуется несколько филамент, а большое количество. Для решения задачи в Русском квантовом центре создан неповторимый лазерный источник, талантливый генерировать фемтосекундные импульсы на длине волны 4 мкм с пиковой мощностью более чем 300 ГВт.

В создании данной установки важную роль сыграло отечественное долгое сотрудничество с группой Андрюса Балтушки из Венского технологического университета. Выстроив таковой лазер, нам удалось в первый раз замечать явление филаментации в воздухе уже не в ближнем, а в среднем инфракрасном диапазоне, на длине волны 4 мкм.

Опыты подтверждают тот факт, что за счет повышения длины волны возможно существенно повысить энергию лазерного импульса в филаменте, тем самым существенно увеличив эффективность лазерной генерации на молекулах азота, возбуждаемых в филаменте. Другими словами активная среда для атмосферного лазера у нас уже имеется, причем, по всей видимости, самая действенная из вероятных — в области еще громадных длин волн воздух делается непрозрачна для излучения из-за поглощения углекислого газа, так что предстоящее повышение длины волны не приведет к большему повышению энергии импульса в атмосферном филаменте. Остается решить последнюю проблему — обеспечив дополнительную накачку (подогрев) данной активной среды посредством СВЧ-излучения либо дополнительного лазера, взять обратный лазерный импульс прямо в воздухе».

Атмосферный лазер

Лазерная совокупность, созданная в Русском квантовом центре, генерирует замечательные (более 300 ГВт) сверхкороткие импульсы длительностью менее 100 фемтосекунд энергией более чем 30 мДж на длине волны около 4 мкм. В этом диапазоне длин волн такие замечательные сверхкороткие импульсы электромагнитного излучения взяты в первый раз.

Они создают в воздухе при атмосферном давлении плазменный филамент, что может служить активной средой лазера. Для дополнительного подогрева данной активной среды возможно применять второй лазер либо СВЧ-излучение. Тогда, в случае если филамент хватит протяженным, в нем появится инверсная населенность и начнется генерация когерентного лазерного излучения — а также в направлении, обратном направлению главного импульса.

Тихо

Для лазерных опытов нужны прецизионная оптика и устройства, очень чувствительные к внешним действиям. Исходя из этого к лабораториям предъявляются повышенные требования в отношении защиты от вибраций и пыли, и влажности и стабильности температуры. Установка собрана на металлическом оптическом столе, что опирается на активные виброгасящие пневматические цилиндры.

Вездесущая пыль задерживается особой совокупностью вентиляции. Пылинки, все же проникающие в лабораторию, тут же удаляются шепетильно отрегулированными воздушными потоками. А на протяжении опытов установки закрывают кожухами, дабы еще более снизить влияние пыли на результаты измерений.

Как трудится лазер

Энергия накачки переводит атомы среды с главного уровня E1 в возбужденное состояние E3. С этого уровня атомы активной среды достаточно скоро безызлучательно (отдавая энергию кристаллической решетке) переходят на метастабильный уровень E2, где они смогут пребывать значительно (на пара порядков) продолжительнее. Появляется момент, в то время, когда атомов с большей энергией E2 делается больше, чем атомов с меньшей E1.

Такая обстановка с противоречащим хорошей термодинамике распределением атомов по энергиям именуется инверсной населенностью. Как раз инверсная населенность совершает вероятным процесс лазерной генерации — излучательный переход атомов с метастабильного уровня на основной, индуцированный излучением под действием случайных фотонов.

Статья «Зажигая лазер в небесах» размещена в издании «Популярная механика» (№148, февраль 2015).

Лестница в небеса (1 серия)


Темы которые будут Вам интересны:

Читайте также: