Учёные из Стэнфордского университета создали первый в мире практичный титаново-сапфировый лазер в масштабе микросхемы. Современные Ti:sapphire-лазеры в 10 000 раз больше и в 1000 раз дороже, тогда как стоимость производства крошечных лазеров на чипе будет условно копеечная. Такие лазеры подтолкнут развитие квантовых наук, помогут в офтальмологии, нейробиологии и много где ещё, где необходим источник интенсивного света.

Миниатюрный лазер опирается на титаново-сапфировый кубик на фоне 25-центовой монеты. Источник изображения: Nature

Титаново-сапфировые лазеры ценны тем, что они могут перестраиваться в относительно широком спектре когерентного излучения. Для науки и промышленности — это важнейшее качество, имя которому универсальность. Только сегодня подобные установки редкость даже в лабораториях, не говоря о промышленности. Они могут быть размером со средний рабочий стол, не говоря о вспомогательном оборудовании, например, лазерах для накачки, которые тоже стоят немалых денег. В конечном итоге стоимость одного такого лазерного комплекса может достигать полумиллиона долларов США.

Исследователи из Сэнфорда разработали технику создания титаново-сапфировых лазеров микрометрового масштаба. Сначала они нанесли на слой настоящего сапфирового стекла подложку из диоксида кремния (SiO₂), а затем создали поверх подложки объёмное титаново-сапфировое покрытие. Верхний слой травится и шлифуется до толщины в несколько сотен нанометров. На подложке остаётся волновод, как на показанном ниже снимке. Этот волновод работает как усилитель лазерного излучения.

Но самым ценным в разработке стал механизм перестройки лазера. Делается это с помощью дозированного нагрева волновода. В случае экспериментального лазера частоту его работы учёные смогли менять в пределах длин волн от красного до инфракрасного: от 700 до 1000 нм. Уменьшение размеров лазера также увеличило его интенсивность и энергоэффективность. Лазером накачки для такой платформы может быть очень маломощный источник.

«Это полный отход от старой модели, — поясняют учёные. — Вместо одного большого и дорогого лазера в любой лаборатории вскоре могут появиться сотни таких ценных лазеров на одном чипе. И всё это можно подпитывать зеленой лазерной указкой».

Министерство обороны Австралии провело демонстрацию самого мощного в мире портативного высокоэнергетического лазерного оружия. Установка размером с чемодан в десять раз дешевле и в десять раз легче аналогичных боевых лазеров. Она весит не более 50 кг и способна физически уничтожать дроны на дальности до 1500 м.

Источник изображений: CPL Jacob Joseph/Australian Army

«Вы нажимаете кнопку, чтобы отслеживать беспилотник, и компьютер берёт управление на себя, затем вы нажимаете другую кнопку, чтобы "нажать на спусковой крючок", совсем как в видеоигре, — пояснил капрал Патрик Фланаган (Patrick Flanagan). — Указательным пальцем вы можете быстро переключать прицел между видеокамерой дрона, центром тяжести или одним из пропеллеров. Требуется всего несколько секунд, чтобы вывести из строя камеру, и две-три секунды, чтобы вывести из строя несущий винт».

Испытания состоялись на танковом полигоне в военном округе Пакапуньял в центральной части штата Виктория. Установка Fractl создана компанией AIM Defence. Её луч диаметром с 10-центовую монету (23,6 мм) способен поразить цель на скорости до 100 км/ч. На дальности до 1000 м возможен поджёг компонентов дрона, а на дальности до 1500 м — только уничтожение датчиков камер.

Оператор сам выбирает, на какой узел дрона должно быть нацелено оружие. Это как работа скальпелем — можно пережечь провода, поразить боеприпас в подвесе или уничтожить пропеллер. За счёт высочайшей точности достигается малый расход энергии — не больше, чем требуется для закипания воды в чайнике, поясняют разработчики.

Дроны стали важным инструментом военных. Боевые лазеры разрабатывались с учётом поражения целей намного большего масштаба. О компактных системах речь не шла, но теперь, судя по всему, им будет отдан приоритет. Созданная в Австралии установка доказала свою эффективность не только при работе по одиночной цели, но также по рою дронов, что только повышает ценность подобных платформ.

Следующее поколение китайских атомных подводных лодок может быть оснащено лазерными двигателями. В теории это позволит подводным кораблям двигаться со скоростью свыше скорости звука в воде и делать это бесшумно. Для этого в корпус будут встроены тысячи оптических излучателей, а 2-МВт лазера будет достаточно для создания тяги в 70 тыс. Н — как у двигателя реактивного самолёта.

Источник изображений: Acta Optica Sinica

О продвижении в разработке лазерных двигателей для подлодок сообщила группа учёных с факультета машиностроения и электроники Харбинского инженерного университета в провинции Хэйлунцзян. Статья опубликована в журнале Acta Optica Sinica и на китайском языке свободно доступна по ссылке.

Саму идею лазерного двигателя для передвижения в воде предложили около 20 лет назад японские учёные. Принцип работы такого двигателя достаточно простой — лазерный луч создаёт плазму на конце излучателя, а та, в свою очередь, создаёт детонационную ударную волну в среде. Вскоре технология была улучшена. Создаваемая плазмой ударная волна должна была воздействовать на микросферы из металла или других материалов. Отстрел микросфер приводил в движение корабль с таким двигателем. Но вскоре энтузиазм иссяк. Эффективность предложенных решений оказалась настолько низкой, что не сулила никакой практически ценной реализации.

По словам китайских учёных, они не сдались. Они разработали теорию и модель лазерного двигателя для подводных лодок, который на три–четыре порядка превзошёл иностранные разработки. Теория и лабораторные эксперименты доказали, что лазер мощностью 2 МВт сможет обеспечить двигателю тягу до 70 тыс. Н (ньютон). Это примерно равно тяге двигателя реактивного самолёта, с чем уже можно работать. При этом двигатель лишается сложных механических частей и становится почти чисто электрическим.

Добиться высочайшей эффективности лазерного двигателя учёные смогли с помощью разработки специальных сопел или «стволов» на концах оптических излучателей. Внутренняя структура сопел позволяет эффективно распространять детонационную ударную волну и отстреливать микросферы наиболее контролируемым образом. Эта технология также обеспечивает вскипание воды по контуру подводной лодки, после чего в действие вступает суперкавитация, которая резко снижает коэффициент сопротивления корпуса воде.

Предложенные двигатели могут использоваться не только для подводных лодок. Они могут стать двигателями для торпед или иного вооружения, а также применяться на гражданских судах. Сейчас всё это кажется какой-то фантастикой. Но если всё работает в лаборатории, то почему бы этому не проявить себя на практике? Вряд ли такое появится через 10 или даже 20 лет, но в чуть более отдалённой перспективе такие двигатели уже не кажутся чем-то невозможным.

Специалисты Троицкого института инновационных и термоядерных исследований (АО «ГНЦ РФ ТРИНИТИ», входит в Госкорпорацию «Росатом») с помощью разработанного ими мобильного лазерного комплекса провели тестовую расчистку просеки от древесно-кустарниковой растительности в зоне размещения линий электропередачи (ЛЭП). Работы были проведены в Новгородской области по приглашению энергетиков компании «Россети Северо-Запад».

Источник изображения: «Росатом»

Это не первый опыт соответствующего подразделения «Росатома» по использованию лазеров для дистанционного устранения препятствий. Ранее эта полностью отечественная разработка показала себя во время демонтажа металлических конструкций, разделяя на части металлоконструкции толщиной до 260 мм на расстоянии до 300 метров. В процессе очистки просеки установка резала деревья до 200 мм за 6 минут. Более того, настройка луча допускает удвоение скорости реза.

При работе с труднодоступными участками ЛЭП расчистка с применением тяжёлой специальной техники может затянуться на несколько дней или даже недель, отмечают в «Росатоме». Технология лазерной резки может сократить время расчистки до нескольких часов. Подробностей об установке нет. Использовать её в тёплое время года, возможно, будет небезопасно из-за риска лесных пожаров. Но в целом использование лазера в решении промышленных задач можно только приветствовать. «Гиперболоид инженера Гарина» спустя сто лет после сочинения Алексея Николаевича Толстого стал реальностью, хотя не совсем такой, как придумал автор.

При поддержке Госкорпорации «Росатом» в рамках научной программы Национального центра физики и математики (НЦФМ) российские учёные создали новую адаптивную оптическую систему, которая с рекордным быстродействием компенсирует влияние атмосферных искажений на лазерное излучение. По результатам исследований опубликована статья в журнале Photonics.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.0/3DNews

Обычно обработка данных в адаптивной оптической системе происходит с помощью цифровых процессоров общего назначения. В созданной российскими учёными системе данные обрабатываются намного быстрее за счёт использования программируемых логических интегральных схем (ПЛИС). Исходя из контекста, реализовано распараллеливание вычислений, но это не точно.

«Применение ПЛИС позволило нам достигнуть рекордного быстродействия адаптивной системы до 4 кГц в экспериментах в закрытом пространстве, на 200-300-метровой павильонной трассе. В условиях реальной трассы до космического аппарата мы достигли быстродействия больше 2 кГц, что представляет интерес, например, в получении чётких изображений в ходе астрономических наблюдений. Несколько килогерц — это тот уровень, который позволяет нам корректировать искажения излучения в условиях реальной, постоянно меняющейся атмосферы, поэтому и идёт гонка за этими килогерцами», — отметил научный руководитель НЦФМ, сопредседатель направления НЦФМ «Физика высоких плотностей энергии» академик РАН Александр Сергеев.

Источник изображения: «Росатом»

Кроме компенсации атмосферных искажений, что необходимо для астрономических наблюдений с поверхности Земли, система позволяет более эффективно фокусировать лазерное излучение в обычных условиях на земле. В России к 2030 году планируется создать лазерную установку экзаваттной мощности. В одной точке должны будут фокусировать одновременно 12 лазеров. Предложенная система адаптивной оптики сможет так задать фронты волны каждого лазера, что они придут к мишени одновременно. Это создаст наиболее интенсивное воздействие на мишень, что позволит реализовывать передовые лазерные технологии и решать фундаментальные вопросы науки, связанные с пониманием, как ведёт себя вещество в экстремальных, недостижимых ранее условиях.

Министерство обороны Великобритании представило видео первых полевых испытаний лазерного оружия DragonFire. Испытания прошли в январе этого года и стали «значительным шагом вперёд» по пути к высокоэнергетическому оружию. Лазерное оружие первого поколения не будет взято на вооружение. Оно послужит основой для создания второго поколения более мощных боевых лазеров.

Источник изображений: министерство обороны Великобритании

Испытания прототипа британского боевого лазера проекта DragonFire мощностью 50 кВт прошли на полигоне в Шотландии. Как и другие установки такого рода, мощный луч формируется спектральным сложением излучения от нескольких волоконно-оптических каналов от менее мощных твердотельных (полупроводниковых) лазеров. Испытания первого прототипа показали правильность выбранной стратегии и будут положены в основу второго поколения боевых лазеров, которые уже поступят на вооружение. Также стоит задача найти комплектующие для производства боевых лазеров в Великобритании. Сейчас комплектация закупается за рубежом.

Источник изображения: Crown Copyright

Представленное военными видео не даёт полного представления о возможностях системы. Показаны центр управления, работа лазера на стенде и поражение цели на полигоне на открытой местности. Отдельно представлена фотография поражённого лазером миномётного снаряда, но не уточняется, его поразили в воздухе, или на неподвижном стенде (скорее всего — второе). Кроме того, представлен цифровой видеоролик работы установки DragonFire на боевом корабле по уничтожению воздушных беспилотников и малых плавсредств.

Использование боевых лазеров позволит существенно сэкономить на боекомплекте. При наличии стабильного источника питания каждый 10-секундный выстрел будет обходиться примерно в $13. Цель будет поражаться буквально со скоростью света. Система прицеливания позволит поражать 23-мм монету на расстоянии 1 км.

Американские учёные только что прорубили окно в новую область экспериментальной физики. Они смогли получить энергетический образ движения электрона вокруг атома водорода в капле воды ещё до того, как атом пришёл в движение. До сих пор у учёных не было инструментов для подобной детализации процессов в веществе, что раскроет больше деталей о физике и химии многих процессов и, особенно, о радиационном воздействии на живые клетки.

Источник изображений: PNNL

В эксперименте, отдалённо похожем на съёмку замедленного видео, учёные выделили энергетическое движение электрона, одновременно «заморозив» движение гораздо более крупного атома, вокруг которого вращался целевой электрон, сделав это в образце обычной жидкой воды. О своей работе учёные сообщили в статье в журнале Science. Работа в основном была направлена на изучение высокоэнергетического излучения на живые клетки, что нужно для космоса, радиотерапии опухолей и не только.

«Химические реакции, вызванные излучением, которые мы хотим изучить, являются результатом электронного отклика мишени, который происходит в аттосекундном масштабе времени», — пояснила Линда Янг (Linda Young), старший автор работы и заслуженный научный сотрудник Аргоннской национальной лаборатории. — До сих пор радиохимики могли определять события только в пикосекундном масштабе времени, что в миллион раз медленнее, чем аттосекунда. Это всё равно, что сказать "я родился, а потом умер". Вы хотели бы знать, что происходит в промежутке? Это то, что мы сейчас можем сделать».

Чтобы добиться результата, межведомственная группа учёных из нескольких национальных лабораторий Министерства энергетики США, а также университетов США и Германии объединила эксперименты и теорию, чтобы в режиме реального времени выявить последствия воздействия ионизирующего излучения от источника рентгеновского излучения на вещество. Исследование проводилось при поддержке Центра пограничных энергетических исследований межфазной динамики в радиоактивных средах и материалах (IDREAM), с финансовой поддержкой Министерства энергетики США в штаб-квартире в Тихоокеанской Северо-Западной национальной лаборатории (PNNL).

Не секрет, что субатомные частицы, например, электроны, движутся так быстро, что для фиксации их действий требуется датчик, способный измерять время в аттосекундах. Это настолько быстро (или мало), что в каждой секунде, например, больше аттосекунд, чем прошло секунд за всю историю Вселенной.

Проведённое авторами исследование опирается на открытие и создание аттосекундных рентгеновских лазеров на свободных электронах, за что в прошлом году, в частности, была присуждена Нобелевская премия по физике. В Национальной ускорительной лаборатории SLAC есть источник такого света (LCLS), чем воспользовались экспериментаторы.

Экспериментальная установка, создающая тончайшую плёнку воды шириной около 1 см

В качестве тестового образца для эксперимента была выбрана обычная жидкая вода. Первый аттосекундный импульс возбуждал электроны, а второй измерял отклик. Это позволило отреагировать датчикам настолько быстро, что возбуждённое состояние электрона проявило себя ещё до того, как атом водорода в молекуле пришёл в движение. Раньше в процессе подобного наблюдения с помощью импульсов большей длительности картина была настолько смазанной, что учёные предполагали существование ряда промежуточных состояний. Аттосекундный лазер показал, что промежуточных состояний нет — это всё миражи или помехи.

«Теперь у нас есть инструмент, с помощью которого, в принципе, вы можете следить за движением электронов и видеть только что ионизированные молекулы по мере их образования в режиме реального времени», — резюмировали достижение авторы исследования.

Учёные из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) вместе коллегами из Токийского технологического института обнаружили удивительное явление. Кратковременное воздействие фемтосекундным лазером на теллуритовое стекло превращало его в полупроводник, чувствительный к свету. Тем самым можно производить фоточувствительные стёкла без каких-либо дополнительных материалов и усилий, что учёные в шутку сравнили с алхимией.

Источник изображения: EPFL

«Это фантастика, мы на месте превращаем стекло в полупроводник с помощью света, — сказал один из авторов исследования Ив Беллуар (Yves Bellouard). — По сути, мы превращаем материалы во что-то другое, возможно, приближаясь к мечте алхимика».

Учёных заинтересовало поведение атомов в теллуритовом стекле (TeO₂) при воздействии на него сверхбыстрых импульсов высокоэнергетического лазерного излучения. Они обнаружили, что лазер в месте падения луча создаёт в толще стекла крошечные кристаллы полупроводниковых материалов теллура и оксида теллура. Это означает, что обработанные таким образом участки могут вырабатывать электричество под воздействием дневного света.

«Интересный поворот в этой технологии заключается в том, что в процессе не требуется никаких дополнительных материалов. Всё, что вам нужно — это теллуритовое стекло и фемтосекундный лазер для создания активного фотопроводящего материала», — добавил учёный.

В ходе эксперимента на полученный из Японии 1-см диск теллуритового стекла лазером был нанесён штриховой рисунок. Под воздействием света от ультрафиолетового и до видимого диапазона обработанный участок вырабатывал электрический ток, оставаясь месяцами стабильно работающим. Точно также на стекле можно создавать светочувствительные датчики и другие полупроводниковые схемы, используя для этого только источник лазерного света.

Рисунок можно наносить на месте на уже установленное стекло, превращая его в умное с необходимой функциональностью. Правда, обычные оконные стёкла для этого не подходят. Но если технологию подхватят производители, то это может привести к революции в архитектуре.

Лазерный луч можно использовать не только для передачи данных в космосе и для поражения целей. Его энергии хватит, чтобы зарядить аккумуляторы небольших спутников, рои которых обещают появиться на орбите. Солнечные батареи нецелесообразно использовать для их питания, а направленный энергетический луч — вполне.

Источник изображения: WiPTherm

Четыре года назад в Европейском союзе создали консорциум по разработке системы беспроводного питания наноспутников. В него вошли пять организаций: португальский Институт физики перспективных материалов, нанотехнологий и фотоники (IFIMUP), факультет естественных наук Университета Порту, также португальский Центр нанотехнологий и интеллектуальных материалов (CeNTI), Европейский центр исследований и разработок, базирующийся в Португалии, Институт системной и компьютерной инженерии, технологий и науки (INESC TEC), а также Университет Лиможа (Франция) и Университет Виго (Испания).

Консорциум начал работать над проектом Innovative Wireless Power Devices Using Micro-Thermoelectric Generators Arrays (WiPTherm). Основной целью проекта WiPTherm было создание инновационной системы беспроводной передачи энергии, которая могла бы заряжать компоненты накопителей энергии на спутниках микро- и наноразмеров. Интересно отметить, что выбор был сделан в пользу термоэлектрических, а не фотоэлектрических приёмных систем.

Группа разработала приёмник и оптическую систему с использованием массива линз и 27 термоэлектрическими датчиками. В качестве передатчика энергии был взят за основу 1550-нм лазер, обычно использующийся для оптоволокна. Согласно целям проекта, группа должна была создать 40-Вт источник энергии с далёкой перспективой добиться передачи по лучу 1 кВт энергии.

Недавняя демонстрация технологии на авиабазе Сан-Хасинту в Авейру (Португалия) подтвердила жизнеспособность разработки, хотя мощность луча на выходе достигла всего 20 Вт. Попав на датчики, лазер создал перепад температуры, и это привело к протеканию электрического тока в системе приёмника. С учётом перспектив обуздания излучения мощностью до 1 кВт крепнет ощущение, что это технология двойного назначения. Для наземных и даже воздушных целей она не будет представлять опасности, но для объектов на орбите может создавать угрозу.

С точки зрения питания микроспутников по лазерному лучу идея достаточно здравая. Один большой корабль на высокой орбите, где Земля никогда не заслоняет Солнце, способен будет питать десятки, сотни и, скорее всего, тысячи мелких аппаратов, поддерживая работу их систем и даже питая электрорактные ионные двигатели.

Великобритания провела первые боевые испытания лазерного оружия с высокой мощностью против воздушной цели. Предполагается, что проведённые стрельбы откроют путь к созданию недорогой альтернативы ракетам ПВО для уничтожения таких целей, как военные беспилотники.

Источник изображений: министерство обороны Великобритании

Во время испытаний на Гебридских островах лазерная установка DragonFire уничтожила приближающиеся беспилотники с расстояния в несколько миль, что, по мнению экспертов, стало важной вехой для британских военных, сообщает The Times. Испытания прошли на полигоне в Шотландии, и британское министерство обороны «важным шагом» на пути к принятию технологии на вооружение. Министр обороны Грант Шаппс (Grant Shapps) заявил, что технология может снизить «зависимость от дорогостоящих боеприпасов, а также уменьшить риск сопутствующего ущерба».

По словам представителей министерства обороны Великобритании, лазерное оружие DragonFire достаточно точно, чтобы поразить монету в 1 британский фунт с расстояния в километр. Диаметр данной монеты составляет всего 23 мм.

Также было отмечено, что как британская армия, так и флот рассматривают возможность использования лазерного оружия в своих перспективных системах противовоздушной обороны (ПВО). Заметим, что Великобритания станет не первой страной, которая использует лазеры в качестве оружия — ВМС США уже установили лазерные системы ПВО от Lockheed Martin на нескольких кораблях.

Заметим, что главным средством ПВО сейчас являются ракеты. Причём применяемые в таких системах боеприпасы могут быть гораздо дороже уничтожаемых ими беспилотников: некоторые из таких ракет стоят миллионы долларов, тогда как беспилотник может стоить лишь несколько тысяч.

По данным минобороны Великобритании, 10-секундная стрельба из системы DragonFire по стоимости эквивалентна использованию обычного бытового обогревателя в течение часа. Также было отмечено, что стоимость эксплуатации системы обычно не превышает 10 британских фунтов ($12,7 или 1130 рублей) за выстрел.

Лазерное оружие, которое официально называется «энергетическое оружие с лазерным наведением» (LDEW) использует мощный световой луч для поражения цели и может наносить удары в буквальном смысле со скоростью света.

Дальность действия системы DragonFire засекречена, но это оружие прямой видимости, то есть оно может атаковать любую видимую цель в пределах досягаемости. Система разрабатывается Лаборатории оборонной науки и техники (Defence Science and Technology Laboratory — DSTL) совместно с промышленными партнерами по заказу минобороны Великобритании.

Руководитель DSTL доктор Пол Холлинсхед (Paul Hollinshead) сказал: «Благодаря этим испытаниям мы сделали огромный шаг вперед в реализации потенциальных возможностей и понимании угроз, которые несет в себе оружие направленной энергии». Также было отмечено, что оружейная система DragonFire — результат совместных инвестиций минобороны и промышленности Великобритании в размере 100 миллионов фунтов стерлингов.

Учёные из бельгийского исследовательского центра Imec создали настолько яркие светодиоды из перовскита (PeLED), что они оказались в тысячу раз мощнее светодиодов из органических материалов. Спонсируемая структурами Европейского союза разработка обещает приблизить появление нового типа полупроводниковых лазеров на PeLED, что подтолкнёт развитие проекционных и зондирующих систем в жизни, медицине и промышленности.

Прототип сверхъяркого светодиода из перовскита на сапфировой подложке. Источник изображения: Imec

Перовскиты — особые соединения полупроводниковых материалов — уже зарекомендовали себя в сфере фотовольтаики. Они позволяют создавать элементы на гибкой подложке, поддерживают высокую мобильность электронов и обещают быть недорогими при производстве. Также они рассматриваются как кандидаты в светодиоды. Именно по этому пути пошли учёные из Imec, когда начинали проект ULTRA-LUX.

Главная задача, которая стояла перед учёными, заключалась в обеспечении подвода тока беспрецедентной плотности на малом участке подложки. Исследователи смогли найти решение в виде чередования прозрачных и непрозрачных слоёв металлизации на сапфировой подложке. Достигнутая на прототипе светодиода PeLED плотность тока составила 3000 А/см².

Старший научный сотрудник Imec и главный исследователь проекта профессор Пол Хереманс (Paul Heremans) пояснил: «Эта новая архитектура транспортных слоёв, прозрачных электродов и перовскита в качестве полупроводникового активного материала может работать при плотности электрического тока в десятки тысяч раз выше (3 кА/см²), чем у обычных OLED».

Целью исследователей не является разработка сверхъярких экранов для смартфонов или другой электроники. Они ищут путь к созданию полупроводниковых лазеров на основе перовскита, и проделанная работа подводит их к этому.

«В проекте ULTRA-LUX Imec впервые продемонстрировала архитектуру PeLED с низкими оптическими потерями и накачала эти PeLED до плотности тока, которая поддерживает стимулированное излучение света», — говорят учёные. Это уже шаг в область создания тонкоплёночных инжекционных полупроводниковых лазеров из перовскита, что становится ключевой вехой на пути к созданию лазера для покорения новых высот в проецировании изображений, зондировании окружающей среды, медицинской диагностике и за её пределами.

NASA сообщило, что впервые из глубокого космоса по лазерному лучу передано видео в высоком разрешении. Дальность передачи в 80 раз превысила расстояние между Землёй и Луной и составила 31 млн км. Скорость передачи оказалась заметно выше пропускных интернет-каналов на Земле. Видео по лучу загрузилось быстрее, чем его смогли получить в центре управления за несколько сот километров от приёмника.

Источник изображения: NASA

Короткая 15-секундная трансляция была заготовлена заранее. Экспериментальная лазерная установка связи не будет передавать на Землю какие-либо данные с научных приборов станции «Психея» (Psyche). Видео высокого разрешения с котом одного из инженеров проекта было стилизовано под «космический» интерфейс с имитацией жизненных показателей кота по кличке Тейтерс, орбитальных траекторий станции и планет и другими фишками.

Максимальная скорость передачи данных по нисходящему каналу достигала 267 Мбит/с, а минимальная — 62,5 Мбит/с. Закодированный в лазерном луче сигнал принимался установкой, смонтированной на телескопе Паломарской обсерватории Калифорнийского технологического института в округе Сан-Диего, Калифорния. До Земли сигнал путешествовал в космосе 101 секунду. На передачу видео в центр NASA в Южной Калифорнии потребовалось больше времени, чем сигнал шёл в открытом пространстве.

Первый раз станция «Психея» установила лазерную связь с Землёй 14 ноября. Тогда она и центр управления обменялись техническими сигналами на расстоянии 16 млн км. А 11 декабря со станции на Землю впервые по лазерному каналу передали потоковое видео с максимальной скоростью передачи. Это было в 10–100 раз быстрее, чем если бы работать по радиоканалам. Возможность передавать данные с большей скоростью будет востребована во время путешествий к Марсу и дальше. Станция «Психея» как раз во время выполнения своей основной миссии в главном поясе астероидов между Марсом и Юпитером испытает лазерную связь на самом дальнем удалении Земли от Марса.

Во время тестовой передачи команда NASA смогла загрузить по лазерному каналу в общей сложности 1,3 Тбит данных. Для сравнения, миссия NASA «Магеллан» к Венере в течение всей своей программы с 1990 по 1994 год передала 1,2 Тбит информации.

Учёные из Техасского университета в Остине создали «Усовершенствованный лазерный ускоритель кильватерного поля», который имеет очень компактные размеры, но при этом генерирует высокоэнергетический пучок электронов — до 10 ГэВ или 10 миллиардов электрон-вольт. Это настоящий прорыв в области ускорителей частиц.

Источник изображения: Bjorn «Manuel» Hegelich

Учёные продолжают изучать возможности применения этой технологии, включая потенциал ускорителей частиц в полупроводниковой технологии, медицинской визуализации и терапии, исследованиях в области материалов, энергетики и медицины.

Недавно группа учёных разработала компактный ускоритель частиц, получивший название «усовершенствованный лазерный ускоритель кильватерного поля». Устройство при длине менее 20 метров генерирует электронный пучок с энергией 10 миллиардов электрон-вольт, утверждается в заявлении Техасского университета в Остине. Сам лазер работает в 10-сантиметровой камере, что значительно меньше традиционных ускорителей частиц, которым требуются километры пространства.

Работа ускорителя опирается на инновационный механизм, в котором вспомогательный лазер воздействует на гелий. Газ подвергается нагреву до тех пор, пока не переходит в плазму, которая, в свою очередь, порождает волны. Эти волны обладают способностью перемещать электроны с высокой скоростью и энергией, формируя высокоэнергетический электронный луч. Таким образом получается уместить ускоритель в одном помещении, а не строить огромные системы километрового масштаба. Данный ускоритель был впервые описан ещё в 1979 году исследовательской группой из Техасского университета под руководством Бьорна «Мануэля» Хегелича (Bjorn «Manuel» Hegelich), физика и генерального директора TAU Systems. Однако недавно в конструкцию был внесен ключевой элемент: использование металлических наночастиц. Эти наночастицы вводятся в плазму и играют решающую роль в увеличении энергии электронов в плазменной волне. В результате электронный луч становится не только более мощным, но и более концентрированным и эффективным. Бьорн «Мануэль» Хегелич, ссылаясь на размер камеры, в которой был получен пучок, отметил: «Теперь мы можем достичь таких энергий на расстоянии в 10 сантиметров».

Исследователи использовали в своих экспериментах Техасский петаваттный лазер, самый мощный импульсный лазер в мире, который излучал сверхинтенсивный световой импульс каждый час. Один импульс петаваттного лазера примерно в 1000 раз превышает установленную в США электрическую мощность, но длится всего 150 фемтосекунд — примерно миллиардную долю от продолжительности удара молнии.

Учёные намерены использовать эту технологию для оценки устойчивости космической электроники к радиации, получения трёхмерных визуализаций новых полупроводниковых чипов, а также для создания новых методов лечения рака и передовой медицинской визуализации. Кроме того, этот ускоритель может быть использован для работы другого устройства, называемого рентгеновским лазером на свободных электронах, который может снимать замедленные видеоролики процессов в атомном или молекулярном масштабе. Примеры таких процессов включают взаимодействие между лекарствами и клетками, изменения внутри батарей, которые могут привести к воспламенению, а также химические реакции, происходящие в солнечных батареях, и трансформацию вирусных белков при заражении клеток.

Команда проекта намерена сделать систему ещё более компактной. Они хотят создать лазер, который помещается на столешнице и способен выдавать импульсы множество раз в секунду. Это значительно повысит компактность всего ускорителя и расширит возможности его применения в гораздо более широком диапазоне по сравнению с обычными ускорителями.

Инженеры Калтеха (Калифорнийского технологического института) сообщили о создании миниатюрного лазера с блокировкой мод (MLL), схема которого оптимальна для генерации сверхкоротких импульсов. Лазер настолько мал, что поместится в микросхему. Такое решение поможет совершать точнейшие измерения в микромире, что найдёт применение в атомных часах и в аналитических приборах, и даже может найти применение в смартфонах.

Источник изображения: Alireza Marandi

«Наша цель — совершить революцию в области сверхбыстрой фотоники, превратив большие лабораторные системы в системы размером с чип, которые можно будет массово производить и применять в полевых условиях, — заявил физик Цюши Го (Qiushi Guo) из Калифорнийского технологического института и Городского университета Нью-Йорка. — Мы хотим не только уменьшить размеры, но и обеспечить удовлетворительные характеристики этих сверхбыстрых лазеров на чипе».

Для точного измерения физических и химических явлений в мельчайших масштабах необходим лазер, обладающий идеальным сочетанием мощности и точности. Большинство лазеров, способных справиться с этой задачей, громоздки, дороги и потребляют много энергии. Новая разработка помещается на кончике пальца, тогда как до этого речь шла о конструкциях размером с лабораторный стол.

Потенциально такие лазеры могут использоваться для самых разных целей: от медицинской визуализации до атомных часов и навигации без помощи GPS. Задача была вместить конкретную схему в достаточно миниатюрные размеры, чтобы лазер на её основе помещался в сумку или даже карман.

Созданный учёными Калтеха миниатюрный лазер — это лазер с блокировкой мод или MLL, который создаёт чрезвычайно быстрые лазерные импульсы за счёт синхронизации фазы. Речь идёт об импульсах длиной в фемтосекунды. Быстрые лазерные импульсы позволяют проводить наблюдения на меньших масштабах и за объектами, которые движутся быстрее, например, за атомами в молекуле. Такие установки в настоящее время в самом лучшем исполнении и с хорошей мощностью довольно большие и требуют значительного количества энергии для работы.

Для создания миниатюрного MLL-лазера учёные использовали такой материал, как ниобат лития в тонкоплёночном исполнении (TFLN). Благодаря ему стало возможным использовать внешние радиочастотные электрические сигналы для точного управления лазерными импульсами. Для создания сверхмалого лазера этот материал был объединен со специальным типом полупроводника, совместимого с TFLN.

Результаты оказались впечатляющими: лазер способен выдавать импульс длиной 4,3 пикосекунды в ближней инфракрасной области с пиковой мощностью около 0,5 Вт. Лазер также оказался универсальным с точки зрения настройки режимов работы, что обещает помочь с его переносом в портативные устройства, которые, правда, ещё предстоит разработать.

«Это достижение открывает путь к использованию сотовых телефонов для диагностики глазных заболеваний или анализа продуктов питания и окружающей среды на наличие кишечной палочки и опасных вирусов, — обещают разработчики. — Это также может позволить использовать атомные часы в масштабе микросхемы, что позволит осуществлять навигацию в условиях, когда GPS скомпрометирована или недоступна».

Группа учёных из Китая объявила о создании устройства связи, которое может сыграть решающую роль в развитии сетей 6G. Оборудование, основанное на «технологии космической оптической коммутации», было выведено для испытаний на орбиту в августе 2023 года. Установленное на спутнике устройство способно передавать световые сигналы без преобразования их в электрические импульсы. Команда Сианьского института оптики и точной механики Китайской академии наук сообщила, что испытания в космосе прошли успешно,

Источник изображения: Pixabay

Традиционные коммутационные устройства связи в процессе передачи данных обычно преобразуют световые сигналы в электрические. Но этот традиционный фотон-электрон-фотонный метод имеет эффект «электронного узкого места», в то время как оптический подход может максимизировать скорость и ёмкость систем обмена данными. Новый метод также может снизить затраты на строительство специальных объектов связи.

Команда китайских учёных посвятила более десяти лет разработке устройства, повышающего возможности, гибкость и скорость передачи информации. «Сети связи следующего поколения, включая 6G, выйдут за рамки наземной связи, это должна быть глобальная сеть, включающая спутниковые узлы», — уверены разработчики. Согласно статье, опубликованной ими в прошлом году, новая технология на сегодняшний день поддерживает скорость передачи данных на уровне 40 гигабит в секунду.

Традиционно связь «спутник-земля» базируется на использовании радиосигнала, но скорость передачи данных сравнительно невысока из-за ограниченного диапазона используемых частот. Поэтому в последнее время всё больше внимания уделяется оптическим технологиям обмена информацией, в частности, лазерам. Полоса пропускания лазера потенциально может достигать нескольких сотен гигагерц, что позволяет упаковывать больше данных в каждую передачу.

Учёные уверены, что обычным коммутационным устройствам будет сложно превысить порог скорости передачи данных в 100 Гбайт/с из-за ограничений пропускной способности. Поэтому жизненно важно разработать более совершенную систему оптического обмена информацией. «Это особенно актуально для межпланетной связи, поскольку оптическая коммутация будет более эффективной, быстрой, компактной и дешёвой», — уверены исследователи.

Несмотря на последний прорыв китайской команды, исследователи говорят, что впереди ещё долгий путь до практического применения новой технологии. Спутниковый Интернет в Китае, включая технологию космической оптической коммутации, все ещё отстаёт от США, поскольку в некоторых важнейших компонентах и технологиях доминируют американские предприятия. На данный момент несколько компаний в отрасли, таких как Starlink Илона Маска (Elon Musk), экспериментируют с оптическим способом межспутниковой передачи данных.