Лазеры для систем наведения и геодезии: Инновации от Университета ИТМО
Лазеры — привычный атрибут «будущего, которое уже наступило». Эти непременные спутники научно-фантастических эпопей уже давно влились в нашу повседневную жизнь и заняли в ней массу ниш, начиная с медицины и заканчивая технологиями производства (не говоря уже об ИТ). И тем не менее, разработки в этой области продолжаются, а интерес к ним со стороны делового и научного сообщества не угасает.
Яркий тому пример — прошедший 2015 год был объявлен ООН годом света и световых технологий. Среди всех световых технологий лазеры — одно из наиболее интересных направлений не только для изучения, но и для коммерциализации: годовой объём производства лазерных источников излучения в мире в 2015 году составил 10,1 млрд долл., на 2016-й прогнозируется рост до 10,5 млрд.
Еще в 2009 году журнал Laser Focus World называл лазеры «зрелым» рынком: с одной стороны, работы в этом направлении уже давно никому не в новинку (и нет опасения, что разработки в сфере лазеров «лопнут» как мыльный пузырь на волне завышенных ожиданий), с другой — интересные открытия в этой области продолжают появляться практически каждый год. На этот раз за одной из интересных новинок стоят исследователи Университета ИТМО.
Новые разработки Университета ИТМО
Ученые Университета ИТМО разработали два экспериментальных образца лазеров для геодезических задач и систем наведения. Устройства более эффективны и надежны, чем российские аналоги, при этом сконструированы с использованием только отечественных комплектующих. Сейчас разработчики готовы к тому, чтобы внедрять лазеры в производство (а в сфере создания лазерно-оптической техники только в России заняты около 160 фирм).
Оба устройства были разработаны в Научно-исследовательском центре лазерной физики (НИЦ ЛФ) Университета ИТМО учеными и конструкторами, которые работают с лазерами безопасного для глаз диапазона, то есть с длиной волны 1.5–2.1 микрометров. Эти лазеры используются в геодезии и системах наведения как импульсные источники света для дальномеров.
Принцип работы новых лазеров напоминает принцип работы радара — в пространство посылается импульс излучения и начинается отсчет времени до возвращенного сигнала. Умножив скорость света на прошедшее время и поделив результат пополам, мы узнаем дальность до объекта, отразившего импульс. В итоге лазерный дальномер позволяет получить точность измерения дальности до нескольких сантиметров, при этом в атмосферных условиях измеряет дистанцию до десятков километров.
Компактный и точный лазер для беспилотников
Одно из устройств, разработанное сотрудниками Научно-исследовательского центра лазерной физики, — сверхкомпактный твердотельный лазер. Показатель компактности в данном случае особенно важен, поскольку основная конкуренция в области разработки лазеров безопасного для глаз диапазона для дальнометрии идет в направлении миниатюризации источников излучения (а также повышения их эффективности и упрощения использования).
Лазер может поставляться как OEM-изделие в бескорпусном варианте, что существенно снижает его размеры и вес за счет интеграции в корпус дальномера-носителя. Кроме того, в новом устройстве используется инновационный пассивный затвор на основе нанокристаллов, который был разработан в сотрудничестве с Государственным оптическим институтом им. С.И. Вавилова.
«Применение пассивного затвора позволяет существенно упростить конструкцию устройства и повысить его надежность, а также удешевить его. Обычно такие лазеры делают с использованием активного затвора, например, электрооптического. В таких случаях получают очень сложные устройства, имеющие в составе высоковольтные схемы управления, понижающие практическую надежность прибора. Пассивный затвор нашей совместной разработки — это, упрощенно говоря, просто кусочек стекла», — пояснил ведущий конструктор НИЦ ЛФ Университета ИТМО Вадим Поляков, руководитель направления лазеров безопасного для глаз диапазона.
Простота использования разработанного лазера во многом определяется использованием пассивного модулятора добротности. В лазерах такого типа чаще всего применяются активные модуляторы добротности, например электрооптический или акустооптический.
Суть работы модулятора добротности состоит в разрывании резонатора лазера до момента накопления в активном теле определенного количества энергии. По достижении такого уровня модулятор замыкает резонатор и происходит генерация моноимпульса — короткого и мощного импульса излучения, формирующегося из накопленной энергии.
В случае с активным модулятором для разрыва резонатора требуется использование сложных электрических сигналов — высоковольтных, или высокочастотных. Пассивный модулятор добротности основан на эффекте нелинейного поглощения и просветления оптической среды в присутствии мощного внутрирезонаторного поля. Процесс замыкания резонатора в таком модуляторе происходит без приложения внешних сигналов.
Новый сверхкомпактный твердотельный лазер разработан для носимых дальномеров, позволяет измерять дальность до 3 километров и может применяться на беспилотных летательных аппаратах. Научные разработки по нему уже практически завершены, пройдены климатические испытания, и устройство готово к серийному производству.
Мощные лазеры для геодезии и строительства
Для решения геодезических и строительных задач, а также для применения в системах наведения в Университете ИТМО были разработаны более мощные лазеры. Они позволяют измерять дальность до 20 километров и работают на частотах 10 Гц. Точно так же, как и менее мощный лазер, эта разработка рассчитана на использование в жестких условиях, то есть при экстремальных температурах и других вероятных физических нагрузках.
«Сейчас в отечественных дальномерах используются лазеры с ламповой накачкой, работающие на частотах менее 1 Гц и имеющие небольшой ресурс. Назревающая модернизация в этой отрасли должна создать большой внутренний рынок для внедрения разработки. Благодаря тому, что мы уже неоднократно воспроизводили экспериментальные образцы этого лазера и проводили для себя все основные испытания, мы можем очень удачно встроиться в эту волну модернизации», — комментирует Вадим Поляков.
Обе разработки НИЦ ЛФ ИТМО рассчитаны на широкий температурный диапазон, а конструкции испытаны на вибро- и ударопрочность. Это позволяет использовать их в любую погоду в полевых условиях, а также на борту подвижных носителей.
Лазеры были представлены на выставке «Фотоника. Мир лазеров и оптики», которая состоялась в Москве 14–17 марта. Также ученые примут участие в Международной конференции «Оптика лазеров», которая пройдет с 27 июня по 1 июля в Петербурге.
Над чем сейчас работает центр лазерной физики
В Научно-исследовательском центре лазерной физики также ведется разработка лазера на кристалле Er: YAG (легированный эрбием алюмо-иттриевый гранат). Такой лазер обладает предельно малым тепловыделением, что позволяет ему работать на высокой частоте и обеспечивать высокое быстродействие системы, в которую он интегрирован.
«Приборных реализаций такого лазера крайне мало во всем мире. Если мы сможем сконструировать такое устройство, то это будет прорывная технология. Ее можно будет применять не только для дальномеров, но и, например, в системах технического зрения. Так, имея лазер с высокой частотой, можно использовать каждый его импульс как вспышку для отдельных пикселей при видеозаписи. Это как вспышка на фотоаппарате, только для видеозаписи и в разы ярче. Плюс, применяя эффект стробирования, можно пользоваться такой системой технического зрения в тумане или другой рассеивающей среде, с учетом того, что волны диапазона 1.5–2.1 микрометров рассеиваются в таких средах хуже видимого света и лучше проникают сквозь них», — говорит ведущий конструктор НИЦ ЛФ Университета ИТМО.
В лаборатории также ведутся разработки лазерной аппаратуры для информационных систем. Лазеры безопасного для глаз диапазона востребованы в качестве источников излучения в фотонных каналах связи — о разработках Университета ИТМО в этой области мы уже рассказывали в одном из наших предыдущих материалов.
