Вы здесь

Лазер и алмаз: взгляд из будущего

Лазер и алмаз

Ученые из университета Маккуори (Сидней, Австралия) разработали новую технологию по преобразованию яркости, спектра и мощности лазерного излучения при помощи алмаза исключительной чистоты. Новация уже сегодня может применяться в сфере ВПК, экспериментальной физике, термоядерной энергетике и космических коммуникациях.

За порядок в атомарном мире твердого вещества отвечает кристаллическая решетка. Она состоит из одинаковых элементов-ячеек, повторение которых определяет структуру кристалла. Несмотря на кажущееся разнообразие в природе их существует всего 14, причем форма каждой ячейки зависит от размера атомов и конфигурации электронных облаков.

Так кубическая гранецентрированная решетка алмаза представляет собой плотно упакованные атомы углерода в состоянии sp³-гибридизации. Их пространственное расположение образует правильный тетраэдр. Как известно, валентность углерода равна четырем. Она соединяет каждый атом прочными ковалентными связями с четверкой «соседей». Особая твердость структуры обусловлена тем, что возможные межатомные взаимодействия исчерпаны внутри тетраэдра. Их «завершенность» делает другие сочетания практически невозможными.

Лазерные технологии «не забыли» про уникальность алмаза – его показатели твердости, теплопроводности, дисперсии, люминесценции и т.д. Для начала английские ученые (университет Стратклайда, Глазго) улучшили лазер Рамана, используя алмаз в качестве рабочего элемента. Традиционные приборы основаны на оптической накачке от внешнего источника. Их слабое место – низкая теплопроводность активного вещества (например, кремния), нагревание которого запускает процесс монохроматического излучения с контролируемой длиной волны. Соответственно, часть лазеров, излучая в широком волновом диапазоне, работают в импульсном режиме с низким уровнем мощности. Другие функционируют непрерывно, при этом не контролируя стабильность длины волны.

Физики нашли идеальную альтернативу кремнию и его аналогам – алмаз. Прежде всего, он привнес в лазерные технологии свои оптические характеристики и максимальную теплопроводность. Исследования показали: увеличение мощности такого лазера не зависит от размера рабочего элемента – кристалл имеет не более 2-6 мм в длину. Столь миниатюрные формы легко совместимы с жесткими оптическими, физическими и пространственными ограничениями сложного оборудования (авиационного, космического, медицинского), которое изначально рассчитано на использование особых параметров света.

Последние новости в сфере «алмазных технологий» связаны с достижениями австралийских ученых (Исследовательский центр фотоники, университет Маккуори, Сидней), которые смогли существенно увеличить мощность лазера за счет формирования единого светового потока из нескольких менее интенсивных лучей. Ключевым элементом новой технологии является сверхчистый алмаз – уникальный материал, оптические и тепловые свойства которого допускают управление лучами большой мощности и интенсивности. Оптические свойства кристалла позволяют манипулировать светом, изменяя траекторию его движения в нужном направлении. Пересекающие ось конвергенции потоки частиц на «выходе» собираются в единый луч гораздо больший по мощности в сравнении с теми, которые были на «входе».

Прежние технологии увеличивали мощность лазерного оборудования с помощью накачки, что порождало множество проблем. И самая очевидная из них связана с поиском ответа на вопрос, куда девать выделяемый излишек тепла. Новая технология усиливает лазер, используя оптические свойства алмаза, который обладает оптимальной теплопроводностью. Таким образом, он легко рассеивает любое количество тепловой энергии. Тем более, что мощность каждого входящего луча можно контролировать отдельно.

По мнению руководителя проекта, профессора Аарона Маккея, сосредоточение световой энергии на алмазной мишени улучшает траекторию, качество и яркость результирующего луча. «Стандартный преобразователь стоит дорого, – объясняет ученый. – К тому же нужно учитывать потерю мощности и нежелательные выбросы. При этом его алмазный аналог обеспечит 50%-е повышение качества выходящего пучка без всяких последствий. Не говоря уже о том, что термические свойства алмаза делают его в 1000 раз устойчивее к воздействию высоких температур по сравнению другими материалами». В заключении профессор добавил, что новая технология формирует длину волны высокоэнергетического луча, которая увеличивает эффективность передачи энергии сквозь атмосферу. «Кроме того, управление параметрами светового потока обеспечит дополнительные гарантии для безопасности людей и животных, которые случайно могут попасть в зону действия лазерного излучения», – подчеркивает Маккей.

Конечно, алмазные лазеры будут широко применяться в различных областях. Однако ученые считают, что уже сегодня их можно использовать для борьбы с космическими угрозами. Например, устанавливать лазеры на спутники для ликвидации космического мусора.

Категория: 
Лазеры

Добавить комментарий