Мечтой планетолога было бы вглядываться в объективы далекого вездехода в режиме реального времени, осматривая инопланетный пейзаж так, как если бы он действительно находился на поверхности планеты, но современные радиопередатчики не могут справиться с полосой пропускания, необходимой для видеопоток через несколько миллионов миль. Однако новая технология, недавно запатентованная учеными из Рочестерского университета, может сделать возможными такие приложения, как видеопоток с Марса, с использованием лазеров вместо радиотехнологий. Специальные решетки внутри стекла волоконного лазера практически устраняют вредное рассеяние, основное препятствие на пути создания мощных волоконных лазеров.
"Мы используем лазеры во всем, от телекоммуникаций до современного оружия, но когда нам нужен мощный лазер, нам приходится прибегать к старым, неэффективным методам", — говорит Говинд Агравал, профессор оптики из Рочестерского университета. "Теперь мы показали невероятно простой способ создания мощных волоконных лазеров с огромным потенциалом".
Устранив одно из основных ограничений волоконных лазеров и волоконных усилителей, Agrawal позволил им заменить традиционно более мощные, но менее эффективные и менее качественные традиционные лазеры. В настоящее время в промышленности используются твердотельные кристаллические лазеры на углекислом газе и с диодной накачкой для лазерной сварки или резки металла и обработки мелких деталей, но такие лазеры громоздки и плохо охлаждаются. Напротив, новейшая альтернатива — волоконные лазеры — эффективны, легко охлаждаются, компактнее и точнее. Однако проблема с волоконными лазерами заключается в том, что по мере увеличения их мощности само волокно начинает создавать обратную реакцию, которая эффективно отключает лазер.
Агравал работал над устранением обратной реакции, вызванной состоянием, называемым вынужденным рассеянием Бриллюэна. Когда свет достаточно высокой мощности проходит по волокну, сам свет меняет состав волокна. Световые волны заставляют участки стекловолокна становиться все более и менее плотными, как движущаяся гусеница сжимается и расширяет свое тело по мере движения. Когда лазерный свет проходит из области с высокой плотностью в область с низкой плотностью, он дифрагирует так же, как изгибается изображение соломинки, проходя между воздухом и водой в стакане. По мере увеличения мощности лазера дифракция увеличивается до тех пор, пока большая часть лазерного света не будет отражаться назад, к самому лазеру, а не должным образом вниз по волокну.
В беседе с Ходжуном Ли, приглашенным профессором из Кореи, Агравал задался вопросом, могут ли решетки, протравленные внутри волокна, помочь решить проблему отражения. Решетки можно спроектировать так, чтобы они действовали как своего рода двустороннее зеркало, работая почти точно так же, как и исходная задача, только отражая свет вперед, а не назад. Благодаря новой, простой конструкции лазерный свет проходит по волокну через решетки, и часть его снова создает изменения плотности, которые отражают часть света назад, но на этот раз ряд решеток просто снова отражает это обратное отражение вперед. Конечным результатом является то, что волоконный лазер может обеспечивать более высокую мощность, чем когда-либо прежде, конкурируя с обычными лазерами и делая возможными приложения, которые обычные лазеры не могут выполнять.
Когда лазерный луч путешествует между планетами, он рассеивается и дифрагирует настолько сильно, что к тому времени, когда луч с Марса достигнет нас, его ширина превысит 500 миль, что делает невероятно трудным извлечение информации, закодированной в луче. Волоконный лазер с его способностью выдавать большую мощность помог бы, дав приемным станциям более интенсивный сигнал для работы. Кроме того, Агравал сейчас работает с НАСА над разработкой системы лазерной связи, которая для начала будет меньше распространяться. "Мы надеемся, что вместо луча, который распространяется на 500 миль, возможно, мы сможем получить луч, который распространяется только на милю или около того", — говорит Агравал. Такая концентрация мощности лазера облегчила бы нам получение широкополосных сигналов от удаленного марсохода.
Многие люди используют волоконные лазеры для замены обычных лазеров, от военных до собственного лазера Omega Университета Рочестера в Лаборатории лазерной энергетики (LLE), который является самым мощным ультрафиолетовым лазером в мире. Агравал будет работать с учеными из LLE, чтобы, возможно, внедрить новую решетчатую систему в новую систему волоконного лазера Omega.
