Лазери для систем наведення і геодезії: Інновації від Університету ІТМО



Лазери – звичний атрибут «майбутнього, яке вже настало». Ці неодмінні супутники науково-фантастичних епопей вже давно увійшли в наше повсякденне життя і зайняли в ній безліч ніш, починаючи з медицини і закінчуючи технологіями виробництва (не кажучи вже про ІТ). І тим не менш, розробки в цій області продовжуються, а інтерес до них з боку ділового і наукового співтовариства не згасає.

Яскравий тому приклад – минулий 2015 рік був объявлен ООН роком світла і світлових технологій. Серед усіх світлових технологій лазери – одне з найбільш цікавих напрямів не тільки для вивчення, але і для комерціалізації: річний обсяг виробництва лазерних джерел випромінювання у світі в 2015 році склав 10,1 млрд дол., на 2016-й прогнозується зростання до 10,5 млрд.

Ще у 2009 році журнал Laser Focus World называл лазери «зрілим» ринком: з одного боку, роботи в цьому напрямку вже давно нікому не в новинку (і чи немає побоювання, що розробки у сфері лазерів «луснуть» як мильна бульбашка на хвилі завищених очікувань), з іншого – цікаві відкриття в цій області продовжують з'являтися практично кожен рік. На цей раз за однією з цікавих новинок стоять дослідники Університету ІТМО.

Нові розробки Університету ІТМО

Вчені Університету ІТМО розробили два експериментальних зразка лазерів для геодезичних задач і систем наведення. Пристрої більш ефективні і надійні, ніж російські аналоги, при цьому сконструйовані з використанням вітчизняних комплектуючих. Зараз розробники готові до того, щоб впроваджувати лазери у виробництво (а в сфері створення лазерно-оптичної техніки тільки в Росії зайняті близько 160 фірм).

Обидва пристрої були розроблені в Науково-дослідному центрі лазерної фізики (НДЦ ЛФ) Університету ІТМО вченими і конструкторами, які працюють з лазерами безпечного для очей діапазону, тобто з довжиною хвилі 1.5-2.1 мікрометрів. Ці лазери використовуються в геодезії і системах наведення як імпульсні джерела світла для далекомірів.

Принцип роботи нових лазерів нагадує принцип роботи радара – в простір надсилається імпульс випромінювання і починається відлік часу до повернутого сигналу. Помноживши швидкість світла на минулий час і поділивши результат навпіл, ми дізнаємося дальність до об'єкта, який відбив імпульс. У підсумку лазерний далекомір дозволяє отримати точність вимірювання дальності до декількох сантиметрів, при цьому в атмосферних умовах вимірює дистанцію до десятків кілометрів.

Компактний і точний лазер для безпілотників

Одне з пристроїв, розроблене співробітниками Науково-дослідного центру лазерної фізики, – надзвичайно компактний твердотільний лазер. Показник компактності в даному випадку особливо важливий, оскільки основна конкуренція у галузі розробки лазерів безпечного для очей діапазону для дальнометрии йде в напрямку мініатюризації джерел випромінювання (а також підвищення їх ефективності та спрощення використання).

Лазер може поставлятися як OEM-виріб в безкорпусному варіанті, що істотно знижує його розміри і вагу за рахунок інтеграції в корпус далекоміра-носія. Крім того, в новому пристрої використовується інноваційний пасивний затвор на основі нанокристалів, який був розроблений у співпраці з Державним оптичним інститутом ім. С. В. Вавілова.

«Застосування пасивного затвора дозволяє істотно спростити конструкцію пристрою і підвищити його надійність, а також здешевити його. Зазвичай такі лазери роблять з використанням активного затвору, наприклад, електрооптичного. У таких випадках отримують дуже складні пристрої, що мають у складі високовольтні схеми управління, що знижують практичну надійність приладу. Пасивний затвор нашої спільної розробки – це, спрощено кажучи, просто шматочок скла», – пояснив провідний конструктор НДЦ ЛФ Університету ІТМО Вадим Поляков, керівник напрямку лазерів безпечного для очей діапазону.

Простота використання розробленого лазера багато в чому визначається використанням пасивного модулятора добротності. У лазерах такого типу найчастіше застосовуються активні модулятори добротності, наприклад електрооптичний або акустооптический.

Суть роботи модулятора добротності полягає в разрывании резонатора лазера до моменту накопичення в активному тілі певної кількості енергії. По досягненні такого рівня модулятор замикає резонатор і відбувається генерація моноимпульса – короткого і потужного імпульсу випромінювання, що формується з накопиченої енергії.

У випадку з активним модулятором для розриву резонатора потрібне використання складних електричних сигналів – високовольтних, або високочастотних. Пасивний модулятор добротності заснований на ефекті нелінійного поглинання і просвітлення оптичного середовища в присутності потужного внутрирезонаторного поля. Процес замикання резонатора в такому модуляторі відбувається без додатка зовнішніх сигналів.
Новий надкомпактний твердотільний лазер розроблений для носяться далекомірів, дозволяє вимірювати дальність до 3 кілометрів і може застосовуватися на безпілотних літальних апаратах. Наукові розробки з нього вже практично завершені, пройдені кліматичні випробування, і пристрій готовий до серійного виробництва.

Потужні лазери для геодезії та будівництва

Для вирішення геодезичних і будівельних завдань, а також для застосування в системах наведення в Університеті ІТМО були розроблені більш потужні лазери. Вони дозволяють вимірювати дальність до 20 кілометрів і працюють на частотах 10 Гц. Точно так само, як і менш потужний лазер, ця розробка розрахована на використання в жорстких умовах, тобто при екстремальних температурах і інших ймовірних фізичних навантаженнях.

«Зараз у вітчизняних дальномерах використовуються лазери з ламповою накачкою, які працюють на частотах менше ніж 1 Гц і мають невеликий ресурс. Можлива модернізація в цій галузі повинна створити великий внутрішній ринок для впровадження розробки. Завдяки тому, що ми вже неодноразово відтворювали експериментальні зразки цього лазера і проводили для себе всі основні випробування, ми можемо дуже вдало вбудуватися в цю хвилю модернізації», – коментує Вадим Поляков.

Обидві розробки НДЦ ЛФ ІТМО розраховані на широкий температурний діапазон, а конструкції випробувані на вібро — та ударостійкість. Це дозволяє використовувати їх в будь-яку погоду в польових умовах, а також на борту рухомих носіїв.

Лазери були представлені на виставці «Фотоніка. Світ лазерів і оптики», яка відбулася в Москві 14-17 березня. Також науковці візьмуть участь у Міжнародній конференції «Оптика лазерів», яка пройде з 27 червня по 1 липня в Петербурзі.

Над чим зараз працює центр лазерної фізики

У Науково-дослідному центрі лазерної фізики також ведеться розробка лазера на кристалі Er:YAG (легований эрбием алюмо-ітрієве гранат). Такий лазер володіє гранично малим тепловиділенням, що дозволяє йому працювати на високій частоті і забезпечувати високу швидкодію системи, в яку він інтегрований.

«Приладових реалізацій такого лазера вкрай мало в усьому світі. Якщо ми зможемо сконструювати такий пристрій, то це буде проривна технологія. Її можна буде застосовувати не тільки для далекомірів, але і, наприклад, в системах технічного зору. Так, маючи лазер з високою частотою, можна використовувати кожен його імпульс як спалах для окремих пікселів при відеозапису. Це як спалах на фотоапараті, тільки для відеозапису і в рази яскравіше. Плюс, застосовуючи ефект стробування, можна користуватися такою системою технічного зору в тумані або інший розсіює середовищі, з урахуванням того, що хвилі діапазону 1.5-2.1 мікрометрів розсіюються в таких середовищах гірше видимого світла і краще проникають крізь них», – говорить провідний конструктор НДЦ ЛФ Університету ІТМО.

У лабораторії також ведуться розробки лазерної апаратури для інформаційних систем. Лазери безпечного для очей діапазону затребувані в якості джерел випромінювання у фотонних каналах зв'язку – про розробках Університету ІТМО в цій області ми вже розповідали в одному з наших попередніх матеріалів.
Джерело: Хабрахабр

0 коментарів

Тільки зареєстровані та авторизовані користувачі можуть залишати коментарі.