full stack javascript developer
0,0
рейтинг
29 июля 2014 в 20:26

Американские учёные разработали воздушный световод, который многократно улучшает распространение лазерного луча в атмосфере

Распространение лазерного луча в воздухе, особенно если его мощность высока, довольно ограничено из-за взаимодействия с атмосферой. Лазер нагревает газ, через который проходит, из-за чего меняется плотность, а значит и коэффициент преломления воздуха на пути луча. Атмосфера начинает работать, как линза, рассеивающая луч. Учёные из Мэрилендского университета в Колледж-Парке придумали, как преодолеть негативные последствия этого эффекта. Для этого они использовали несколько дополнительных лазеров, расположенных вокруг основного.



Вспомогательные лазеры дают короткую фемтосекундную вспышку перед тем как включается основной лазер. Эта вспышка прогревает воздух вокруг пути, по которому пойдёт основной луч, формируя воздушный световод с зоной повышенного давления внутри и пониженного — по периметру. Благодаря этому основной луч рассеивается гораздо меньше. Похожий принцип используется в оптоволокне — его внешние и внутренние слои имеют разный коэффициент преломления, из-за чего свет распространяется с минимальными потерями, никогда не касаясь стенок световода. На иллюстрации показана схема работы такого световода и фотографии его профиля при использовании четырёх и восьми вспомогательных лазеров

Эффект воздушного световода позволит на несколько порядков улучшить соотношение сигнал-шум везде, где луч лазера распространяется в атмосфере на значительные расстояния — в лидарх, системах связи и лазерных спектроскопах, подобных тому, что установлен на марсоходе Curiosity. Кроме того, возможно и военное применение, среди спонсоров исследования — ВВС США и агентство Defense Threat Reduction Agency (DTRA). Как известно, в прошлом году прошли успешные испытания лазерной пушки, которая способна уничтожать дроны и небольшие лодки противника. В перспективе такие лазеры могли бы заменить дорогостоящие ракеты, но они пока работают лишь на небольших расстояниях из-за рассеивания луча.

Илья Сименко @ilya42
карма
469,7
рейтинг 0,0
full stack javascript developer
Реклама помогает поддерживать и развивать наши сервисы

Подробнее
Реклама

Самое читаемое

Комментарии (63)

  • +37
    Так вот он чего
    Скрытый текст
    image
  • –15
    Луч не может быть лазерным и распространятся в воздухе, потому что это геометрическая сущность.
    В воздухе распространяется лазерный, простите, пучок
    • 0
      Пучок — это связка продолговатых предметов. А касательно квантов изЛУЧения есть определенные сомнения, что они продолговатые и связаны.
      • –5
        Интересно, когда ознакомитесь с терминологией, будете ли извиняться?
      • +1
        Вон, смотрите, человек, вроде, в теме разбирается, а все туда же — у него тоже изЛУЧение продолговатое и связанное:
        habrahabr.ru/post/231535/#comment_7823265
    • +2
      Т.е. солнечные лучи на самом деле солнечные пучки?
      • +1
        Уел.
        Но у лазерного пучка есть одно из фундаментальных отличий от солнечного луча — он имеет гауссову форму, т.е. энергия не сосредоточена на прямой, даже в приближении. Он характеризуется двумя параметрами — радиусом стяжки w и углом расходимости theta
        • 0
          Я нифига не спец по лазерам, но они разве не являются подмножеством просто света? Т.е. свет — это поток фотонов, лазерный (луч|пучок) тоже состоит из фотонов, только с более специфическими свойствами. Соответственно, если мы можем говорить «луч» про свет, мы можем говорить «луч» про лазер, т.к. лазер — это тоже свет (ну тут, видимо, придется несколько расширить понятие света, правда, т.к. лазер может светить за пределами видимого спектра).
          • 0
            Хм, лазеры бывают УФ, видимого диапазона и ИК. А свет — только видимого. Может свет — это подмножество лазеров?
            • +2
              Википедия, относительно лучей и волновых процессов говорит следующее:
              Луч — линия, нормальная к волновой поверхности.

              Или про оптику:
              Световой луч в геометрической оптике — линия, вдоль которой переносится световая энергия.


              Так что, вполне уместно говорить, про лазерные лучи.
              • –6
                Так а где там про поток фотонов, если это нормаль к волновой поверхности?
                >в геометрической оптике
                Если внимательно прочитать мой самый первый коментарий, то можно увидеть, что я там пишу про то, что луч — это геометрическая сущность. Геометрические сущности не распространяются в воздухе. Солнечный луч — это абстракция. Это как сердечко рисовать — все знают, что имеется ввиду. А тот, кто не знает, очень удивиться увидев настоящее сердце.
            • 0
              В физической оптике свет — ЭМ излучение видимое человеком, но в более широком смысле и любое оптическое излучение. И свет ни в коем случае не может быть подмножеством лазеров, так как лазер это light amplification by stimulated emission of radiation «усиление света посредством вынужденного излучения». И да, луч по еще школьному определению луч — имеющая начало часть прямой. Так как лазерное излучение имеет начало а конца не имеет и (в вакууме без гравитационных источников и препятствий на пути, раз Вы так любите придираться к словам) распостраняется по прямой то термин «лазерный луч» имеет право на существование. В конце концов «электронная дырка» тоже чудовищная абстракция, но ей почему-то все пользуются.
              • 0
                Да, системный блок по этой логике тоже можно называть процессором. Школьное определение — из геометрии. И что значит слово ЛАЗЕР я тоже знаю, а тэг «сарказм», очевидно, на хабре обязателен. Оптика, судя по всему, в более широком смысле изучает прямолинейное поступательное движение тел, динамику жидкости и газа, а также теории поля и относительности.
                • 0
                  Хы. А Вы в курсе, что разъема rj-45 в компьютерных сетях не существует? Но при этом это же никому не мешает покупать кабели с такими разъемами.

                  А Вы уверены что луч и пучок абсолютно несовместимые понятия? dic.academic.ru/dic.nsf/enc_physics/2692/%D0%A1%D0%92%D0%95%D0%A2%D0%9E%D0%92%D0%9E%D0%99
                  • 0
                    Нет, не в курсе, но пример-то отличный. Нам не мешает существовать непонимание электрических связей в атоме, но это же не повод не пытаться разобрать, перестать учиться и развиваться?
                    • 0
                      А Вас достаточно времени чтобы разобраться хотя бы во всех направлениях только физики? В данной статье разницы между световым пучком и световым лучом никакой. Тем более что «световой пучок» подразумевает пучок чего-то (а если точнее, световых лучей). Опять же, выйдя на улицу Вы говорить «сильный ветер» а не «суммарная скорость движения элементарных струек воздуха превосходит нормальную для данного времени суток/года».
        • 0
          «Лазерность» и форма пучка никак не связаны между собой. Люди стараются получить нечто максимально похожее на гауссов пучок лишь потому, что он имеет минимальную дифракцию.
          • 0
            Ээээ, а мужики-то не знают. Линзы зачем-то ставят для фокусировки.
            А вообще что такое «лазерность»? Что отличает «лазерное» излучение от иного излучения и следствием чего являются эти отличительные особенности?
            Зачем вообще нужны лазеры с такими смешными КПД в дай бог единицы процентов?
            • +1
              «Лазерность» определяется принадлежностью фотонов к одной и той же моде (то есть когерентностью), точка. Мода задаёт форму пучка, но она далеко не обязательно гауссова. Простейший пример — берём лазерный пучок гауссовой формы и закрываем половину: пучок по прежнему лазерный, но уже не гауссовый.

              К чему вы упомянули линзы и КПД, я не понял. КПД никак не связан с формой пучка, линзой вы форму пучка тоже не улучшите. К когерентности опять же ни КПД ни линзы отношения не имеют никакого.
              • 0
                Согласен, спасибо.
                Один только вопрос, что будет, если закрыть половину луча?
                • 0
                  Пучок начнёт расходиться под большим углом, точнее не скажу, нужно численный счёт запускать.

                  А вот если перекрыть половину одномодового оптоволокна, часть излучения останется в той же моде, а остальное «вывалится» наружу. Собственно, обычно у волоконных лазеров на выходе получается самый приближенный к гауссовому пучок, потому что резонатор по определению поддерживает только одну геометрическую моду.
                  • 0
                    Так это если пучок перекрыть. А что будет, если перекрыть половину луча? Понимаете, куда клоню?
                    • +1
                      Простите, вам никогда не говорили, что вы педант?

                      Строго говоря, световой луч — линия, в математическом её понимании, а ограниченное световое поле, распространяющееся вдоль луча, называется световым пучком. Но за пределами научных статей слово «луч» повсеместно используется в качестве заместителя слова «пучок», в том числе и для лазеров. Более того, поиск в гугле по «луч лазера» выдаёт 110 000 результатов против 12 000 для «пучок лазера».
                      • +1
                        Никогда не говорили, но нутром чую — заслужил :-)
    • +11
      Вот мне еще тут пишут в личку про то, чему есть место на хабре. И чему, соответственно, нет.

      Судя по голосам за комменты, прикольчикам места на хабре хватает, а вот базовой информации из области, несвязанной с ИТ, даже высказанной в негрубой форме, места нет.

      Вот если бы я написал в топике, что размер переменной double — 24 бита, меня бы первым же комментом поправили, что, мол, зависит от компилятора и его настроек, и это был бы самый заплюсованный коммент, что бы там еще в топике написано не было.
  • 0
    Ждем лазерную винтовку?
  • +3
    Не совсем понятно. Вот у нас изначально есть какой-то направленный источник света. С помощью него пытались передавать информацию по воздуху, но получалось плохо из-за рассеивания света на частицах воздуха. Авторы же предлагают сначала стрельнуть мощным и коротким импульсом света, который, по их задумке, должен создать канал типа оптоволокна, по которому уже будет идти свет с информацией и как бы рассеиваться меньше, чем без такого канала.
    Вопрос1: а этот предварительный импульс света точно так же должен рассеиваться в воздухе, или нет?
    Вопрос1а: если нет, то почему?
    Вопрос1б: если да, то какая тогда разница?
    Вопрос2: а на какую дальность такой канал остаётся эффективным?
    • +2
      1) Пусть рассеивается, лишь бы канал сформировал.
      1б) Потому что с каналом лучше.
      2) Если канал эффективен на расстояние x, то луч, пущенный по каналу, пролетит немного дальше и перенесёт немного больше энергии. Как бы мал не был этот x.

      И мне кажется, что эффект можно мультиплицировать — добавить лазеры вокруг лазеров, чтобы создавать каналы для каналов. Ну вы поняли.
    • 0
      Насколько я понял вспомогательные лучи это как первая ступень у ракеты: позволяют увеличить дальность полета луча за счет уменьшения рассеивания в воздухе на первом этапе полета. Их вспомогательное действие через какое-то расстояние прекращается и луч начинает лететь с большим рассеиванием. В итоге получаем увеличение эффективной дальности лазера может в 2 раза, может чуть меньше.

      Позволю себе немного пофантазировать.

      Могу предположить что можно использовать больше одной «ступени», что позволить неограниченно увеличивать дальность полета. Т.е. обернуть первую «ступень» из лучей в ещё одну обертку из лучей, и так далее, на сколько хватит ресурсов и на сколько это нужно. Скорей всего это окажется слишком затратно для гражданских целей. Но вот ракеты сбивать скажем получается удобно — можно регулировать дальность полета луча количеством оберток, хоть спутники сбивай, хоть цели на небольшой высоте. Повторюсь — это мои размышления на тему :)
    • 0
      Ключевое слово — «фемтосекундная». Там можно такую мощность вкачать за фемтосекунду, что нулей не хватит на калькуляторе. При этом оборудование выживет, потому что средняя мощность будет невелика. А дальше уже работаем обычным лазером.
    • 0
      Вот мы, кстати, о лазерах беседовали в камментах
      habrahabr.ru/post/153555/
  • +5
    В топике упущен довольно важный момент — зона повышенного давления в центре создается не просто за счет прогрева воздуха и снижения давления вокруг, а за счет звуковой волны, формирующейся за счет очень быстрого нагрева. Причем условия подбираются таким образом, чтобы сфокусировать эту волну в центре пучка:

    «The rapid heating caused by the laser pulses generates a ring of tiny sound waves that converge on a center point, creating a high-pressure channel in the middle»

    «Быстрый нагрев с помощью лазерных импульсов создает кольцо небольших звуковых волн, которые сходятся в центральной точке, формируя канал высокого давления в середине»


    Скорее всего излучение, которое собираются передавать по такому каналу — тоже импульсное, хотя и не обязательно фемтосекундное. ИМХО для коммуникаций это не очень интересно, поскольку гораздо проще увеличить диаметр пучка, что снизит как плотность мощности (а значит и нагрев воздуха и прочие нежелательные эффекты), так и дифракционную расходимость.
    • +1
      хм, интересно, будут ли слышимые допплеровские звуковые эффекты при махании таким лазером?
      en.wikipedia.org/wiki/Lightsaber#Sound
    • +1
      Что бы ни стояло за этим — насколько красивая идея! Просто и эффективно.
  • 0
    Интересно-интересно. Rafael, когда рассказывали о противоракетном лазере, тоже говорили что там будет несколько излучателей. Может, поэтому.
  • 0
    Идея хорошая и имеет право ни развитие.
    Отношение сигнал / шум в такой системе растет однозначно. Но вот что такое большая дальность? Большая дальность для лидаров и лазерных спектроскопах система конечно обеспечит. А вот для расстояний сотни — тысячи километров это уже проблема.
    Проблемой будет и передача силового пучка в военных целях. Потому что мощность фемтосекундного лазера, как правило, мала, а тепловые и ударные волны требуют приложения мощности, а не энергии.
    Особенность фемтосекундного лазера короткий импульс с заданной энергией. При этом то что определяет выделение тепла — мощность (тут нельзя сказать средняя мощность) невысока. А тепловые эффекты и ударные волны определяются именно тепловыделением. Рост мощности у фемтосекундного лазера ограничен электрической прочностью среды Свет лазера это электромагнитная волна, при превышении напряженности электрического поля электропрочности среды происходит электрический пробой среды. В этом случае вся энергия лазерного пучка выделяется в месте пробоя.
    При транспортировке силового лазерного пучка фемтосекундный лазер может служить инициатором пробоя для силового лазера.
    Извините, возможно я слишком углубился, но знание практики лазерной техники заставляет меня сомневаться в некоторых аспектах применения данной идеи.
    • 0
      А как насчет передачи энергии на расстоянии и космического лифта?
      • 0
        Передача энергии на расстояние уже имеет место быть. Простейший вариант бесконтактная зарядка смартфона. Сейчас этого нет, но в 60х годах ее показывали даже в школе на уроках физики. Использовали простой виток с лампочкой и ВЧ генератор. Все наглядно.
        Главная проблема передачи энергии — это КПД такой системы. На последний влияют множество факторов. И он настолько мал, что применение таких устройств пока просто нерентабельно.
        Что касается лифта, то как говорил Архимед «Дайте мне точку опоры и я переверну мир».
        Перефразируя можно сказать " создайте материал с необходимыми весо-прочностными характеристиками и поедем на орбиту на лифте".
        • 0
          Алекс, ну, вроде не на форуме для домохозяек :-) Я, может, непонятно выразился, вот что я имел ввиду: www.spaceward.org/games
          и вот это: lasermotive.com/wp-content/uploads/2012/03/Laser-Power-Beaming-Fact-Sheet.pdf
          Если я правильно понимаю, то можно с использованием описанной в топике технологии увеличить и кпд и дальность…
          • 0
            :-), ну вот, а я, прочитав вопрос, грешным делом подумал…
            Но я отвечу чтобы было понятно не только специалистам.
            Таких и подобных технологий известно много (кроме приведенных ссылок), но пока не существует известных конструкций. А работающая модель единственное доказательство гипотезы.
            Для обсуждения ссылок надо открывать отдельный пост.
            • 0
              Так они ж каждый год катают вертикально тележки по канату, подвешенному на вертолете, питание — лазером. Так что все работает. Не так хорошо, как хотелось бы, но лиха беда — начало.
              • 0
                Но, согласитесь, идею можно демонстрировать и в комнате.
    • 0
      Потому что мощность фемтосекундного лазера, как правило, мала, а тепловые и ударные волны требуют приложения мощности, а не энергии

      Может быть, вы перепутали мощность и энергию? В противном случае особенно вторая часть предложения (про тепловые и ударные волны) как-то совсем теряет физический смысл.
      • 0
        Может быть сказано немного неточно, но чуть ниже я писал: «тепловые эффекты и ударные волны определяются именно тепловыделением».
        Эффекты тепловыделения (или просто тепловыделение) в луче не могут превышать мощность потребляемую лазером от розетки.
        Автор заметки пишет: «Эта вспышка прогревает воздух вокруг пути, по которому пойдёт основной луч». Поэтому я писал именно об этой стороне эффекта. Хотя на самом деле происходящие процессы много сложнее.
        А соотношение энергии 1 Дж=1 Вт х сек
        • +1
          Эффекты тепловыделения (или просто тепловыделение) в луче не могут превышать мощность потребляемую лазером от розетки

          Мощность превышать могут. Например, вы можете в течение 100 секунд потреблять из розетки мощность 1Вт. За 100 секунд наберется 100Дж. Эту энергию можно запасать в конденсаторе, например. После этого вы можете выделить эти 100Дж в виде излучения за очень короткое время. Например, за 1с. При этом у вас получится мощность 100Вт. С учетом кпд будет меньше, но общий смысл сохраняется. Вы можете медленно (с малой мощностью) брать энергию из розетки, запасать ее, а потом быстро расходовать. При этом мощность тепловыделения в луче или еще где-либо может многократно превышать мощность, которая потреблялась от розетки. Закон сохранения энергии при этом не нарушается. Главное — чтобы сохранялся положительный баланс энергии, а не мощности.
          • 0
            Это называется импульсная мощность, она определяет напряженность электрического или магнитного поля электромагнитного излучения. А тепловые эффекты определяются средней мощностью или энергией. Обращаю Ваше внимание именно на слова «тепловые эффекты», о которых написано у автора заметки.
            • 0
              А тепловые эффекты определяются средней мощностью или энергией

              Так все-таки средней мощностью или энергией? Чем отличается, с вашей точки зрения, средняя мощность от энергии?
    • 0
      А вот для расстояний сотни — тысячи километров это уже проблема.

      Где найти эти сотни и тысячи километров плотной атмосферы?
      • 0
        Сотни километров — любая трасса по касательной к поверхности земли. 2/3 ее в плотных (или возмущенных) слоях атмосферы.
        Ну а тысячи, трасса канала передачи информации с промежуточными отражателями.
        • 0
          Ну если для связи с высоколетящими самолётами и спутниками — то да. А для наземных станций это лишь десятки километров.
          • 0
            Или связи между спутниками, через атмосферу.
            А для наземных станций в пределах прямой видимости, которая в зависимости от высоты от поверхности Земли точек приема и передачи и рельефа местности может быть более 100 км.
  • 0
    Это какая мощность фемтосекундной вспышки должна быть чтобы подогреть воздух на некоторое расстояние? Если я правильно понимаю, таким лазером будут предавать инфу например на орбиту, до куда очень много км. На сколько сильно подогревается воздух? И как это скажется на глобальном потеплении?)
    • 0
      я в этих вопросах конечно профан, но лазер перед собой не разогревает пространство? Ато в таком случае ему особо мешать ничего и не должно… Объясните незнайке.
    • 0
      Глобальное потопление — маркетинговая выдумка.
    • +1
      Это какая мощность фемтосекундной вспышки должна быть чтобы подогреть воздух на некоторое расстояние?

      Большая. Только время, пока этот «подогрев» будет держаться — какие-нибудь микросекунды. Но этого достаточно, чтобы пустить основной луч.
      И как это скажется на глобальном потеплении?

      Очень просто: бдыдыщь!… и все вымерли.
    • 0
      en.wikipedia.org/wiki/Ti-sapphire_laser
      At 5 mJ in 100 femtoseconds, the peak intensity of such a laser is 50 gigawatts per square centimeter.[2] When focused by a lens, these laser pulses will ionise any material placed in the focus, including air molecules
  • +1
    Сто лет в обед этой теме.

    В одном институте в Москве тема прорабатывалась в 70-80х годах.
    Суть(упрощенно): строим ОЧЕНЬ мощный лазер, светим им в небо. Материя (воздух) в пучке ионизируется и разгоревается до состояния плазмы. В этот плазменный «шнур» вкачиваем радиочастоту. Получаем антенну высотой сколько мощности лазера хватит. Профит.
    • 0
      А еще можно излучать два параллельных луча, а между получившимися проводящими пучками создать разность потенциалов — получаем нечто вроде очень мощного тазера, но без проводов.
      • 0
        Мне кажется, что если направить на условного правонарушителя два пучка с мощностью, достаточной для ионизации, то прикладывать разность потенциалов уже не потребуется. «Достаточно половины таблэтки».
        • 0
          Так то да, но это для усиления эффекта. Представьте, просто «пшик» и все. Или «пшик» с громким треском разрядов :) Ну и подозреваю, что в месте «доставки» разрушений будет сильно больше, чем просто от двух пучков.
          Да, и это уже будет не нелетальное оружие, а очень даже летальное.
  • 0
    Не очень понятно, какая именно проблема решается. Чтобы изменилась плотность и атмосфера начала работать как линза, нужно, чтобы изменилась концентрация частиц, характерное время этого изменения — диаметр пучка, делённый на скорость звука в среде. Даже для разумного диаметра пучков (~30 см) это время — порядка миллисекунды.

    Значит, если основной импульс короткий, то этой проблемы и нет, а если не короткий, то от этих предварительных импульсов ни холодно, ни жарко.
  • +7
    Оффтоп: вы видите изображение в вашем посте? Я вижу только небольшую его верхнюю часть.

    • +1
      Кто взял кусок картинки? Верните на место, имейте совесть!

Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.