Бластер против астериодов. Самарские ученые создали лазер нового типа
Экспериментальная установка подтвердила принципы работы реального аппарата.Учёные одного из самарских вузов разработали и испытали первую в стране экспериментальную лазерную установку. Подобные аппараты близки к фантастическим бластерам, которые помогут защитить нашу планету от астероидов.
Лазер или Боинг 747?
Учёные Самарского университета совместно с коллегами из Самарского филиала ФИАН разработали лазер в рамках научно-исследовательской лаборатории «Структура и динамика квантовых систем» под руководством американского профессора Майкла Хэвена. Работа по созданию нового аппарата началась параллельно в США и России в 2012 году.
«Мы начали сотрудничать с американцами ещё лет 15 назад. Майкл Хэвен – профессор университета Эмори в США, регулярно приезжает в Самару и читает лекции студентам на летней школе. А в Америке у него своя лаборатория, и наши специалисты работают там по нескольку месяцев.
Над лазером работали шести человек в самарском филиале и около десяти учёных в США. Самарские специалисты делали различные спектроскопические измерения, и первыми проделали теоретические оценки возможных выходных мощностей ещё в 2013 году. Наши аспиранты проводят расчёты, которые нужны для этой установки. Они выполняются в «Самарском университете» на суперкомпъютере «Королёв», – говорит ведущий научный сотрудник Самарского филиала ФИАН и «Научно-образовательного центра физики неравновесных открытых систем» и научно-исследовательской лаборатории «Физика и химия горения» Павел Михеев.
До 2010 года американцы плотно занимались кислородно-йодным лазером – очень мощный химический аппарат помещавшийся в Боинг 747. Для его работы требуются опасные реагенты – хлор и перекись водорода. Но оказалось установку неудобно и слишком дорого эксплуатировать, поэтому их программу закрыли.
«Погоня за мощными лазерами продолжается. Вскоре появились полупроводниковые устройства размером со спичечную коробку, которые могут создавать излучение мощностью несколько киловатт. Но оно некачественное, и его трудно сфокусировать.
Преобразовать излучение мощных полупроводниковых лазеров можно с помощью накачки газовых сред. К примеру, лазер на щелочных металлах. Но атомы этих веществ химически активны и вступают в реакцию с тем, что есть внутри камеры. А это большая техническая проблема», – пояснил Павел Михеев.
Сегодня в мире всего пять подобных установок, и все они пока экспериментальные. Одна находится в Самарском университете и четыре – в крупных научных центрах США. В Японии тоже собираются строить такой лазер, а в китайском городе Ухань специалисты уже преступили к сборке.
Изобретение – прорыв
Экспериментальная лазерная установка нового типа стала первой в России. Самарские ученые рассказали и о том, как работает их аппарат.
«В ней зажигается электрический разряд, чтобы нарабатывать атомы инертных газов в метастабильном состоянии. Потом область засвечивается излучением лазера на красителе. Происходит, так называемая, оптическая накачка и возникает лазерная генерация», – объясняет научно-исследовательской лаборатории «Физика и химия горения».
Мощный и качественный лучевой поток удалось получить за счёт создания специальной среды. Семь лет назад руководитель научной лаборатории Майкл Хэвен предложил вместо атомов щелочных металлов использовать метастабильные атомы инертных газов. Их свойства во многом схожи, но этот вариант оказался намного безопаснее и эффективнее.
«В качестве оптической накачки будет использоваться излучение диодных лазеров. В разрядной камере атомы инертных газов – неона, аргона, криптона, ксенона – переводятся в метастабильное, возбуждённое состояние в плазме, создаваемой электрическим разрядом при атмосферном давлении. В такой газовой среде формируется гораздо более мощный и качественный лучевой поток, чем в полупроводниковых лазерах. Кстати, у нашей установки есть дополнительные преимущества: излучение проходит через плотные слои атмосферы без поглощения», – говорит Павел Михеев.
Следующим этапом работы станет изготовление полупроводникового лазера небольшого размера для дальнейших экспериментов.
«Предложенное сочетание технологий позволяет создать компактный лазер, который способен выдавать непрерывное излучение мощностью до нескольких мегаватт. Кроме того, активная среда такого лазера содержит только инертные газы, что существенно упрощает техническую реализацию и позволяет создать химически инертный вариант лазерной установки – в отличие от лазеров на парах щелочных металлов», – отметил профессор Майкл Хэвен.
Вместо астероидов – саранча?
Экспериментальная лазерная установка поможет создать совершенно новый тип лазеров.
«Реальная установка должна быть компактной, а не размером с самолёт. Думаю, как этот стол – метр на два. А вот её вес зависит от конкретных инженерных решений», – говорит Павел Михеев.
Составляющие экспериментальной установки собирали по разным странам. А вот элементы для реального лазера только ещё предстоит разработать.
«Источник питания – прибор, который обеспечивает горение этого разряда, был произведён в нашей лаборатории в ФИАНе. Вы видите вон те коробочки? Их стоимость варьируется от 100 тыс до 500 тыс рублей. А всё вместе стоит около 15 млн рублей. И сейчас трудно сказать, во сколько обойдётся реальный аппарат. Думаю, минимум, в десятки миллионов рублей», – рассуждает самарский учёный.
На основе таких изобретений в будущем можно будет создать глобальную систему противоастероидной защиты нашей планеты. Но своё применение изобретению найдут и в различных сферах промышленности.
«Когда американцы создавали свой кислородно-йодный лазер, наши специалисты всё спрашивали: «А в мирных целях его можно использовать?» Так они отвечали: «Конечно! Мы продадим его Саудовской Аравии для борьбы с саранчой, которая уничтожает растения. Когда она поднимается, её можно сжигать этим лазером». С помощью нашего аппарата тоже можно так сделать», – говорит Павел Михеев.