Більшість людей уявляють лазер як компактний пристрій у вигляді рубінових або гранатових стрижнів, газових трубок або напівпровідникових кристалів, з дзеркалами, що грають роль резонаторів, і потужними лампами накачування. Група вчених Російського квантового центру намагається обійтися без усього цього, створивши лазер прямо в атмосфері.
Лазери давно стали звичною частиною нашого життя, і зараз навряд чи можна знайти сучасної людини, яка не бачила його або не тримав в руках. На виробництві лазер ріже листи різних матеріалів, будинки зчитує музику з дисків, а на вулиці контролює швидкість. Автомобілі оснащуються лидара (лазерними радарами), які невтомно обмацують навколишнє оточення в пошуках велосипедистів, пішоходів та інших автомобілів, запобігаючи зіткнення. Лазери використовуються і для вивчення атмосфери, зокрема, на предмет наявності в ній різних забруднень. Когерентне вузькосмугове і вузьконаправлене випромінювання лазера робить його зручним інструментом для дистанційного (на відстані в десятки метрів) виявлення різних небезпечних хімічних речовин. Подібні прилади на основі лидаров потрібні для контролю обстановки на різних потенційно небезпечних промислових об'єктах, для моніторингу наслідків різних техногенних катастроф або в разі терористичних атак.
Лазерна система, створена в Російському квантовому центрі, генерує потужні (понад 300 ГВт) сверхкороткие імпульси тривалістю менше 100 фемтосекунд енергією понад 30 мДж на довжині хвилі близько 4 мкм. У цьому діапазоні довжин хвиль такі потужні сверхкороткие імпульси електромагнітного випромінювання отримані вперше. Вони створюють у повітрі при атмосферному тиску плазмовий филамент, який може служити активним середовищем лазера. Для додаткового підігріву цієї активної середовища можна використовувати інший лазер або СВЧ-випромінювання. Тоді, якщо филамент буде досить протяжним, в ньому виникне інверсна населеність і почнеться генерація когерентного лазерного випромінювання - в тому числі в напрямку, протилежному напрямку основного імпульсу.
лідари
Правда, лідарні прилади для вивчення атмосфери мають серйозний недолік. Справа в тому, що когерентне лазерне випромінювання може розсіюватися в зворотному напрямку тільки на кристалічній решітці (в твердих тілах). А в газах цей процес неможливий, оскільки заборонений законом збереження імпульсу. Обійти це фундаментальне обмеження неможливо, тому лідарного моніторинг аналізує розсіяний у зворотному напрямку некогерентний сигнал, що несе настільки малу частину енергії початкового імпульсу, що цей метод погано працює вдень (а в ясну сонячну погоду може не працювати зовсім), так як корисний сигнал занадто слабкий на тлі шуму.
Спроби обійти ці обмеження були. Найбільш простий спосіб лазерного моніторингу атмосфери - створення постійної оптичної траси, на одному кінці якої буде розміщений лазер, а на іншому - приймач (як варіант - звичайне дзеркало). Але зробити таке можна не завжди. Інший варіант - схема зондування атмосфери лидара і радарами - припускає, що виявлення відбувається за допомогою лазера, випромінювання якого іонізує повітря в присутності певних хімічних речовин, а інформацію про цей процес ми отримуємо за допомогою радарного СВЧ-випромінювання, що відбивається створеним плазмовим дзеркалом. Але і така схема працює не дуже ефективно, оскільки «дзеркало» має форму голки, яка погано «видна» за допомогою радарів.
Без шуму і пилу Для лазерних експериментів необхідні прецизійна оптика і прилади, надзвичайно чутливі до зовнішніх впливів. Тому до лабораторій пред'являються підвищені вимоги щодо захисту від пилу і вібрацій, а також стабільності температури і вологості. Установка зібрана на сталевому оптичному столі, який спирається на активні виброгасящие пневматичні циліндри. Всюдисуща пил затримується спеціальною системою вентиляції. Порошинки, все ж проникають в лабораторію, тут же віддаляються ретельно відрегульованими повітряними потоками. А під час експериментів установки закривають кожухами, щоб ще більше знизити вплив пилу на результати вимірювань.
без дзеркал
Але чому б не створити в атмосфері замість голкоподібний «дзеркала» ... повноцінний лазер? Ідея здається фантастикою лише на перший погляд. «Насправді у визначенні лазера нічого не говориться ні про які дзеркалах або резонаторах, - каже завідувач лабораторією фотоніки та нелінійної спектроскопії фізичного факультету МДУ, керівник групи« Передова фотоніка »Російського квантового центру Олексій Желтиков. - Лазер - це посилення світла за допомогою вимушеного випромінювання (light amplification by stimulated emission of radiation). Для роботи лазера потрібна активна середу, в якій можна за допомогою накачування створити інверсію заселеність, і якщо коефіцієнт посилення буде достатнім, можна створити лазер взагалі без резонатора - в однопрохідної схемою ».
У 1980-х роках вчені в шведському Університеті Лунда, вивчаючи процеси горіння в двигунах внутрішнього згоряння, вирішили використовувати для моніторингу швидко відбуваються хімічних реакцій лазерне випромінювання. На свій подив, вони виявили сильний спрямований паразитний сигнал в зворотному напрямку.
Експерименти продовжили дослідники Прінстонського університету і Техаського університету A & M в 2011 році. Використовуючи титан-сапфіровий лазер з імпульсами в 100 пикосекунд з довжиною хвилі 226 нм, вчені отримали у відповідь зворотний когерентний лазерний сигнал з довжиною хвилі 845 нм. Активним середовищем в даному випадку виступав кисень, причому накачування відбувалася досить екзотично: спочатку молекула кисню, поглинаючи відразу два фотона, диссоциированного на атоми, а потім атоми порушувалися в результаті ще одного двухфотонного поглинання.
«Це колишня перша демонстрація концепції« лазера на повітрі », air laser, - пояснює Олексій Желтиков. - Ми потім повторили ці експерименти, і за рахунок більш вузької спектральної лінії в довгому 10-наносекундному імпульсі домоглися підвищення потужності зворотного сигналу в 300 разів, з 1 нДж до 300 нДж. Але лазер на атомарному кисні малоефективний - для дійсно ефективного лазера, підпалюваного на великій відстані, потрібно використовувати ще деякі нелінійні ефекти ».
Як працює лазер Енергія накачування переводить атоми середовища з основного рівня E1 в збуджений стан E3. З цього рівня атоми активної середовища досить швидко безвипромінювальної (віддаючи енергію кристалічній решітці) переходять на метастабільний рівень E2, де вони можуть перебувати істотно (на кілька порядків) довше. Виникає момент, коли атомів з більшою енергією E2 стає більше, ніж атомів з меншою E1. Така ситуація з таким, що суперечить класичній термодинаміці розподілом атомів по енергіях називається інверсної населеністю. Саме інверсна населеність і робить можливим процес лазерної генерації - радіаційний перехід атомів з метастабільного рівня на основний, індукований випромінюванням під впливом випадкових фотонів.
пропалюючи дорогу
«Луч від малопотужного лазера поступово розходиться за рахунок дифракції, - говорить Олексій Желтиков. - Але досить потужне випромінювання починає взаємодіяти з молекулами речовини, в якому відбувається поширення, «розгойдуючи» електрони в атомах і молекулах. Оскільки розподіл інтенсивності випромінювання по перетину нерівномірно - в центрі пучка вона більше, ніж на краях, - на шляху пучка створюється позитивна лінза, і виникає так званий ефект самофокусіровкі ». Діаметр лазерного променя зменшується, а інтенсивність випромінювання зростає до тих пір, поки воно не стане виривати електрони з атомів і молекул. У центрі пучка електронів утворюється більше, ніж по краях, вони грають роль негативної лінзи, як окуляри, компенсуючі короткозорість. Утворюється филамент - плазмовий канал, уздовж якого поширюється лазерне випромінювання. У більшості випадків філаментація шкідлива: плазма взаємодіє з лазерним випромінюванням, поглинаючи його енергію і утворюючи непрозору середу. «Так відбувається, якщо використовувати довгий лазерний імпульс: плазмовий фронт біжить назустріч імпульсу, поглинаючи його енергію, - пояснює Олексій Желтиков. - А якщо імпульс коротше однієї пікосекунди, виникає цікавий ефект: лазерний імпульс сам прокладає собі канал, де дифракція компенсується самофокусировка, і світловий пучок більше не розходиться. В такому филаменте можуть реалізовуватися умови, необхідні для лазерної генерації. Це дозволить отримати лазер на молекулярному азоті в атмосфері, який можна підпалювати на набагато більших відстанях, ніж кисневий атмосферне лазер ».
Звичайний азотний лазер з довжиною хвилі 337 нм добре відомий, але в повітрі, крім азоту, міститься ще й кисень, який заважає створенню інверсіїзаселеність молекул азоту. Обійти це можна, наприклад, підвищивши тиск або збільшивши довжину хвилі. Останній підхід, за словами Олексія Желтиківському, набагато більш перспективний, оскільки дозволяє створити дистанційно підпалюється лазер в атмосфері, закачати в активне середовище набагато більше енергії, значно підвищивши ефективність генерації зворотного сигналу: «Але пікова потужність імпульсу в лазерному филаменте обмежена порогом самофокусіровкі, збільшується пропорційно квадрату довжини хвилі лазерного випромінювання. Зазвичай експерименти по філаментаціі виконуються за допомогою титан-сапфірових лазерів, що генерують випромінювання з довжиною хвилі 800 нм. На цій довжині хвилі пікова потужність імпульсу в атмосферному филаменте близько 10 ГВт. При збільшенні пікової потужності лазерний пучок стає нестійким - утворюється не один филамент, а багато. Для вирішення завдання в Російському квантовому центрі створено унікальний лазерний джерело, здатний генерувати Фемтосекундний імпульси на довжині хвилі 4 мкм з піковою потужністю понад 300 ГВт. У створенні цієї установки ключову роль зіграла наша багаторічна співпраця з групою Андрюса Балтушка з Віденського технологічного університету. Побудувавши такий лазер, нам вдалося вперше спостерігати явище філаментаціі в атмосфері вже не в ближньому, а в середньому інфрачервоному діапазоні, на довжині хвилі 4 мкм. Експерименти підтверджують, що за рахунок збільшення довжини хвилі можна значно підвищити енергію лазерного імпульсу в филаменте, тим самим значно збільшивши ефективність лазерної генерації на молекулах азоту, порушуваних в филаменте. Тобто активне середовище для атмосферного лазера у нас вже є, причому, мабуть, найефективніша з можливих - в області ще більших довжин хвиль атмосфера стає непрозорою для випромінювання через поглинання вуглекислого газу, так що подальше збільшення довжини хвилі не призведе до більшого збільшення енергії імпульсу в атмосферному филаменте. Залишається вирішити останню проблему - забезпечивши додаткову накачування (підігрів) цієї активної середовища за допомогою СВЧ-випромінювання або додаткового лазера, отримати зворотний лазерний імпульс прямо в атмосфері ».
Стаття «Запалюючи лазер в небесах» опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №2, Березень 2015 ).
Повноцінний лазер?
