Главная
Применения
Технологические применения пикосекундных лазеров компании «Нордлэйз»

Технологические применения одночастотных лазеров компании «Нордлэйз»

Одночастотные узкополосные лазеры

Подробнее

Преимущества и применения

Одночастотные волоконные лазеры привлекли широкое внимание благодаря своим отличительным преимуществам, таким как экстремально узкая ширина линии, низкий уровень шума, высокая эффективность, работа как в ближнем инфракрасном (NIR), так и в среднем инфракрасном (MIR) диапазонах.

Они могут широко использоваться как в передовых научных исследованиях так и в практических приложениях:
- физика холодных атомов
- оптические атомные часы
- измерения фундаментальных констант
- спектроскопия высокого разрешения
- обнаружение гравитационных волн
- лидары
- когерентная связь на большие расстояния
- высокоточное оптическое зондирование и др.
За последние два десятилетия характеристики одночастотных волоконных лазеров были значительно улучшены благодаря развитию соответствующих базовых технологий, включая специальные волокна, оптические фильтры, подавление шума и сжатие ширины линии.

Одночастотные лазеры

Компания НОРДЛЭЙЗ разрабатывает одночастотные лазеры, параметры которых не уступают зарубежным аналогам:

Монохроматическое излучение
Узкая шириной спектральной линии – менее 5 Гц (мгновенная)
Низкий уровень шумов (как фазовых так и по интенсивности)
Выходная мощность от десятка мВт до нескольких Вт
Возможность генерации в широком диапазоне длин волн, в том числе в видимой, с возможностью перестройки

Фотонная доплеровская велосиметрия (Photon Doppler Velocimetry (PDV)

Фотонная доплеровская велосиметрия (PDV) представляет собой одномерный анализ преобразования Фурье сигнала гетеродинной лазерной интерферометрии. Другими словами, в этом методе используется доплеровской сдвиг в луче лазера для измерения скорости в потоках прозрачной или полупрозрачной жидкости или линейного или вибрационного движения непрозрачных отражающих поверхностей. Он был разработан в Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса.

PDV часто используется для анализа ударно-волновых процессов в качестве дополнения или замены метода VISAR при измерении высоких скоростей объектов (на уровне км/с).

Среди применений можно отметить следующее:
- Эксперименты по скорости в аэродинамической трубе для проверки аэродинамики самолетов, ракет, автомобилей, грузовиков, поездов, зданий и других сооружений
- Измерения скорости в водных потоках (исследования в общей гидродинамике, конструкция корпуса судна, вращающееся оборудование, потоки в трубах, поток в каналах и т. д.)
- Исследования впрыска топлива и распыления, когда необходимо измерить скорость внутри двигателей или через сопла
- Исследования окружающей среды (горение исследования, волновая динамика, прибрежная инженерия, моделирование приливов, гидрология рек и т. д.)
Еще одно популярное применение PDV – это исследование ударно-волновых процессов и измерение высоких скоростей частиц.

Пример спектрограммы
Типичная оптическая схема

С помощью такой схемы получают спектрограммы, по которым определяют скорости.

Волоконно-оптические датчики

Одночастотные лазеры могут применяться в системах с распределенными акустическими датчиками (DAS).

Система DAS обеспечивает доступ к большому количеству информации, по сравнению с другими видами датчиков. В системе используются оптические волокна в качестве датчиков, которые позволяют измерять звук по всей их длине. Она работает на больших расстояниях и больших территориях без каких-либо в режиме реального времени.

Системы DAS с одночастотными лазерами могут использоваться для широкого спектра приложений мониторинга, таких как:
- Схема движения и плотность трафика
- Дорожные условия
- Тип машины
- Ускорение, скорость и направление автомобиля
- Мониторинг инфраструктуры для предотвращения разрушения мостов, дорог, туннелей, труб и других объектов
- Содействие развитию автономного вождения

С помощью одночастотных лазеров Нордлэйз можно получить дальность измерения до 100 км.

Сверхнизкий фазовый шум (или частотный шум) является ключевым параметром лазера, определяющим чувствительность и точность сенсорной системы.

Ветровые лидары (Wind LIDAR)

Метод, в котором малошумящий лазерный свет используется для измерения скорости и направления ветра с высокой точностью.

Точный прогноз выработки энергии жизненно важен для успеха проектов ветряных электростанций. Данные о ветре традиционно собирались с использованием дорогих анемометрических мачт и многочисленных точек измерения.

Подъем анемометрической мачты приводит к ряду негативных проблем, таких как необходимость получения разрешений на строительство, экологические проблемы, а также проблемы со здоровьем и безопасностью.

Вместо этого использование лазерной анемометрии обеспечивает полное управление ветровыми ресурсами, включая горизонтальную и вертикальную скорость, направление и турбулентность ветра. По этим данным подбирается оптимальное место для новых ветряков ветроэлектростанций без строительства мачты.

При создании системы лазерной анемометрии одной из самых больших проблем является выбор одночастотного лазерного источника с очень низкими шумами интенсивности и фазы, сигнал которого можно обнаружить после отражения с доплеровским сдвигом.

Другим типичным примером является безопасность полетов, где резкие изменения скорости ветра могут нанести вред воздушному движению, особенно в переполненных аэропортах.

Лазерное охлаждение и захват атомов (Atomic Trapping and Cooling)

Способность охлаждать атомы до беспрецедентных кинетических температур, а также удерживать и поддерживать изолированные атомы в «атомных ловушках». Этот уникальный способ контроля движения атомов позволяет исследователям изучать поведение атомов и квантово-механические свойства.

Температура атома зависит от скорости его движения, поэтому охлаждение отдельных атомов обычно сводится к предотвращению их движения. Некоторые методы атомного охлаждения — это доплеровское охлаждение, субдоплеровское охлаждение и испарение атомов в конденсате Бозе-Эйнштейна.

Примеры преобразования частоты

Для лазерного охлаждения на атомных резонансах (например, доплеровского охлаждения) нужна точная длина волны, соответствующая конкретному атомно-ионному переходу, что возможно осуществить с помощью одночастотных лазеров с шириной линии, уже атомного перехода.

Одной из ключевых особенностей такой технологии является формирование излучения в видимой области. Это возможно осуществить с помощью преобразования частоты излучения основной гармоники.

Лазерная голография

Основные принципы голографии были открыты в XX веке такими учеными как Габором и Денисюк. Но только после того, как в 1960 году был изобретен лазер, оптическая голография как метод записи и метод отображения трехмерных изображений получила широкое распространение.

Сегодня возросла доступность более компактных и мощных одночастотных лазеров с большой длиной когерентности и стабильной длиной волны, необходимых для записи голограмм. Продвинутые источники излучения открыли новые области применения голографических методов.

Сегодняшние голографические приложения включают создание защитных голограмм на банкнотах или паспортах, создание ультрареалистичных полноцветных 3D-копий объектов, визуализация вибрационных процессов и производство так называемых голографических оптических элементов (ГОЭ), используемых, например, для коррекции волнового фронта, проецирования изображений в виртуальной реальности (VR) и в устройствах дополненной реальности (AR).

Развитие лазерных технологий и сред для записи также привело к радикальному усовершенствованию голографии белого света, что открыло новые применения голографии, связанные с ультрареалистичной трехмерной репликацией объектов. Настоящие цветные голограммы стали настолько реалистичными, что теперь используются для создания трехмерных репродукций драгоценных артефактов.

В ситуациях, когда настоящие артефакты слишком хрупкие или ценные для транспортировки, голограммы могут принести опыт просмотра этих предметов более широкой аудитории. Эти голограммы подвергаются воздействию комбинации нескольких длин волн в течение нескольких часов.

Все эти голографические и интерферометрические методы требуют одночастотных лазеров видимого спектра с большой длиной когерентности, превосходной стабильностью длины волны и точностью, а также высокой стабильной выходной мощностью. Поскольку применение этих методов переходит от лабораторных условий к производственным средам, требования к надежности и стабильности работы в течение длительных периодов времени и переменных условий окружающей среды возрастают.