Лазерный мир

А.В.Авдеев, А.С.Борейшо, С.В.Ивакин, А.П.Погода, А.В.Савин // журнал Фотоника, №1, 2018, DOI: 10.22184/1993-7296.2018.69.1.30.42

В статье обоснованы требования и предложены подходы к построению космических лазеров для локационных и лидарных применений, передачи энергии, удаления космического мусора с околоземных орбит, ускорения космических аппаратов. Продемонстрированы достижения в области твердотельных лазеров высокой яркости на основе эффекта обращения волнового фронта (ОВФ) и обоснованы возможности их применения в космической технике.

ВВЕДЕНИЕ
Уже сегодня опыт применения лазеров в космосе охватывает широкий круг задач: лазерные сканирующие устройства используются при стыковке космических аппаратов (КА) [1–3], космические лидары осуществляют дистанционное зондирование Земли и других небесных тел [4–7], околоземный космос контролируется с помощью лазерных локаторов [8–10], реализуются высокоскоростные космические линии лазерной связи [11, 12].

Лазерная аппаратура для решения этих задач представляет собой часть служебной нагрузки КА, имеет относительно низкие массовые и габаритные характеристики, потребляет в среднем не более 100–150 Вт в активном режиме.
В перспективе [13, 14] лазеры востребованы для удаления космического мусора из околоземного пространства [15–17], дистанционного энергоснабжения КА [18, 19], противоастероидной защиты Земли [20], а также ускорения КА [21, 22] для межорбитальных полетов в околоземном пространстве и полетов в дальний космос. Лазерные системы (рис.1) для этих применений требуют обеспечения питания мощностью свыше 100 кВт и влияют на облик КА-носителя. Разнообразие задач и широкий диапазон требований к характеристикам излучения вызывают самые разные предложения [23] по возможным типам лазеров для космических применений: от сверхмощных непрерывных химических лазеров [15, 24] до более компактных волоконных [17] и твердотельных [25] лазеров.
В настоящей статье на базе системного метода дана оценка роли и места лазеров в современной космической технике, обоснованы требования и выработаны подходы к построению лазеров для ряда космических задач, а также представлены результаты исследований твердотельных лазеров высокой яркости с использованием эффекта обращения волнового фронта (ОВФ), которые, по мнению авторов, представляют практический интерес для применения в космическом пространстве.
ТРЕБОВАНИЯ К ЛАЗЕРАМ ДЛЯ КОСМИЧЕСКИХ ЗАДАЧ
Перспектива масштабного применения лазеров в космосе связана с тем, что именно в этой среде узконаправленная передача энергии и информации на большие расстояния по лазерному лучу наименее подвержена ограничениям физического характера. Поэтому лазеры будут наиболее востребованы в решении подобных задач.

С одной стороны, в космосе отсутствует возмущающее действие оптических неоднородностей атмосферы. Это позволяет при дистанционной фокусировке излучения приблизиться к ограничениям, вызванным дифракционным пределом. Кроме того, отсутствует поглощение излучения по космической трассе.
С другой стороны, для космических задач необходимы лазерные источники высокой яркости. Причина в том, что плотность энергии излучения, доставляемой до зондируемого объекта (объема), обратно пропорциональна второй степени величины дальности:
ED = ( 4 · Ep ) / ( π θ2 · L2 ),
θ = M2 · 1,06 · λ / dt,
где ED – плотность энергии [Дж / м2] излучения на мишени, Ep – энергия импульса, L – дистанция до объекта локации, θ – расходимость лазерного излучения по половинному уровню энергии, M2 – параметр оптического качества излучения, λ – длина волны лазера, dt – диаметр передающего телескопа с заполненной апертурой.

В задачах локации малых удаленных объектов энергия Er рассеянного объектом локации излучения, регистрируемого приемной системой лазерного локатора, обратно пропорциональна дальности в четвертой степени:
Er = ( Ep · A · Seff · dr2 ) / ( 2 π · θ2 · L4 ),
где A – альбедо объекта локации, Seff – эффективное сечение отражения, dr – диаметр приемной апертуры.

Таким образом, на больших расстояниях (100 км и более) основным требованием к лазерам для работы в космосе является обеспечение одновременно высокой энергии и минимально возможной расходимости лазерного пучка. Иными словами, необходимы источники лазерного излучения высокой яркости [23]. В зависимости от задачи предъявляют требования к энергетическим, временным, пространственным и спектральным параметрам космического лазера.
ЛАЗЕРЫ ДЛЯ КОСМИЧЕСКИХ ЛИДАРОВ
Лазерные локационные и лидарные системы широко используются [14] на Земле и в космосе, где, как правило, применяют лазерные источники [4, 6–8, 25] с энергией импульса 0,1–10 Дж, длительностью 0,1–10 нс, частотой следования 1–100 Гц, пиковой мощностью свыше 1 МВт и оптическим качеством излучения М2 ≈ 1,1–1,5.

Лазеры для передачи энергии в космосе
Подавляющее большинство научных результатов в области дистанционной передачи электрической энергии с помощью направленного электромагнитного излучения относится к проблемам создания больших космических солнечных электростанций (КСЭС) [26], преобразующих солнечную энергию в электрическую с последующей ее доставкой на Землю посредством лазерного или СВЧ-излучения.

На текущий момент оценки капитальных и операционных затрат создания КСЭС с соответствующей наземной инфраструктурой не позволяют говорить о какой-либо стоимости киловатт-часа, полученного таким образом на Земле. В то же время сама технология КСЭС является вполне конкурентоспособной для создания тяжелой космической платформы энерговооруженностью в десятки и сотни киловатт. А в сочетании с мощной лазерной системой высокой яркости эта технология подходит для дистанционного энергоснабжения перспективных космических потребителей.
Для этих космических задач рационально использовать непрерывные твердотельные, в т. ч. волоконные и полупроводниковые, лазеры, обеспечивающие приемлемую эффективность всей энергетической цепи [18, 19].
Лазеры для удаления космического мусора и ускорения КА
Неуклонный рост количества объектов, классифицируемых как космический мусор (КМ), в условиях все более интенсивного освоения околоземного космоса уже сегодня стал критическим. Он угрожает безопасности и эффективности космических полетов [27].

Перспективным и едва ли не единственным реальным методом масштабного удаления мелкого космического мусора с околоземных орбит является дистанционное воздействие на КМ лазерным излучением в абляционном режиме. В результате такого воздействия объекту КМ придается реактивный импульс, корректирующий его траекторию движения с целью предотвращения столкновений КМ с действующими КА и между собой. Он также уводит КМ либо на орбиты захоронения, либо – спуска в плотные слои земной атмосферы с последующим сгоранием.
Предварительные оценки размещения лазера со средней мощностью в 25 кВт на космической платформе показывают приемлемую результативность очистки низких околоземных орбит от мелкого космического мусора. Лазерная система с длиной волны ≈1 мкм, энергией в импульсе 500 Дж, длительностью импульса 10–8 с, передающим телескопом диаметром 1,5 м в результате однократного абляционного воздействия на КМ длительностью 10 с при частоте следования импульсов 50 Гц обеспечит замедление мелкого КМ с габаритно-массовым соотношением ≈10 см2/г на ΔV ≈ 300 км/ч. Для такого же замедления КМ с соотношением ≈1 см2/г потребуется несколько сеансов воздействия лазерными импульсами общим количеством ≈5 000.
Таким образом, для абляционного воздействия на космический мусор рассматриваются [15, 16] лазеры средней мощностью свыше 25 кВт, генерирующие импульсы с энергией 0,1–1,5 кДж, длительностью 0,1–10 нс, частотой следования 50–100 Гц, пиковой мощностью свыше 1 ГВт и оптическим качеством излучения М2 ≈ 1,2–2,5.
Дальнейшее повышение энергии в импульсе открывает возможности по абляционному замедлению опасных астероидов [19] с целью предотвращения их столкновения с Землей, а также абляционному ускорению КА [21, 22] с целью обеспечения межорбитального маневрирования в околоземном пространстве и дальних космических полетов.
Твердотельные лазеры с обращением волнового фронта
Достижение высокой яркости излучения лазера, а значит высокой энергии в импульсе при относительно малой расходимости, возможно путем обращения волнового фронта (ОВФ). В течение последних десятилетий существенно возросло разнообразие твердотельных лазеров на основе эффекта ОВФ, обладающих уникальным набором энергетических, временных, пространственных и спектральных характеристик излучения. Ключевым отличием лазеров с ОВФ от аналогов является полученная в результате самовоздействия, а не искусственно сформированная при помощи дополнительных оптических элементов селекция продольных и поперечных мод в сочетании с самомодуляцией добротности резонатора. Соответствующий выигрыш в массовых и габаритных характеристиках лазеров с ОВФ повышает привлекательность их использования в космическом пространстве.

Распространение излучения в резонаторе лазера при самопересечении пучков в активной нелинейной среде третьего порядка приводит к изменению ее оптических свойств. В результате четырехволнового смешения в ответ на объемное периодическое распределение интенсивности излучения в области пересечения лучей формируются решетки показателя преломления, показателя поглощения и коэффициента усиления (рис.2). Дифракция на решетках коэффициента усиления приводит к энергообмену между пучками, что позволяет создавать самонакачивающееся ОВФ-зеркало, поддерживающее положительную обратную связь.
Реализация эффекта ОВФ путем смешения волн в активной среде может осуществляться в любых нелинейных средах третьего порядка. В средах с высоким сечением поглощения генерация излучения ОВФ-лазера формируется за относительно малое число проходов по резонатору и близка по пространственным и спектральным характеристикам к спонтанной люминесценции, так как недостаточное число циклов перезаписи решетки приводит к недостаточной селекции мод. С другой стороны, в средах с низким сечением поглощения и высоким порогом генерации будет выше коэффициент усиления, необходимый для развития генерации. При достаточно высокой энергии накачки возможно получение генерации без выходного зеркала резонатора ОВФ-лазера.

Рациональным решением является использование доступной среды: YAG : Nd3+ с относительно низким сечением поглощения при одновременном повышении эффективности резонатора путем увеличения количества самопересечений лучей в активной среде и записи дополнительных решеток коэффициента усиления. Совместная работа большого количества решеток приводит к повышению эффективности ОВФ и улучшению параметров излучения.
В лазерах на основе эффекта ОВФ устранение традиционного падения качества излучения при увеличении энергетических параметров не происходит, благодаря росту дифракционной эффективности решеток коэффициента усиления, пропорциональной контрасту V решетки:
V = 2 · ( I1 · I2 )0,5 / ( I1 + I2 ),
где I1, I2 – интенсивности записывающих решетку пучков.

В [28] проведено сравнение характеристик излучения YAG : Nd3+ ОВФ-лазера с диодной мультикиловаттной накачкой при различных конфигурациях петлевого резонатора (рис.3). Показано, что увеличение количества петель с двух до четырех приводит к двукратному росту энергии в импульсе при равных энергиях накачки за счет роста количества решеток и их дифракционной эффективности.

В сочетании с компенсацией искажений за счет распространения излучения с обращенным волновым фронтом это приводит к парадоксальному росту качества излучения при повышении мощности. Кроме того, динамические решетки коэффициента усиления производят угловую селекцию излучения, что позволяет получать излучение с расходимостью, близкой к дифракционному пределу. Так в режиме свободной генерации энергия в цуге импульсов в зависимости от конфигурации резонатора достигала уровня 0,5–1,25 Дж при параметре качества излучения М2 = 1,15–1,5, причем рост энергии в цуге сопровождался ростом оптического качества.
Поскольку дифракционная эффективность решетки коэффициента усиления напрямую зависит от интенсивностей интерферирующих пучков, в ОВФ-лазере возникает конкуренция продольных мод, приводящая к естественной селекции единственной частотной моды. Это позволяет получать одиночные импульсы с шириной полосы равной ширине одной моды 350 МГц при использовании петлевого резонатора (вместо 30 ГГц – ширины полосы многомодовой генерации лазера с резонатором Фабри-Перо). При этом ширина полосы генерации цуга импульсов остается равной ширине полосы генерации лазера с резонатором Фабри-Перо, так как усиление различных продольных мод имеет случайный характер, и доминирующая частота случайным образом выбирается в диапазоне полосы усиления.
Использование выходного зеркала в качестве источника дополнительной обратной связи приводит к росту энергии в импульсе, но влияет на спектральные свойства, в этом случае селекции продольных мод не происходит. Использование дополнительных внутрирезонаторных селекторов, таких как стационарная брэгговская решетка или интерферометр Саньяка, приводит к дополнительной селекции продольных мод, что ведет к повышению эффективности решеток.
Поскольку в ОВФ-лазере развитие импульса и усиление обратной связи происходят по мере роста интенсивности внутрирезонаторных пучков, происходит самомодуляция добротности, что приводит к сокращению длительности импульса излучения с 400–500 нс до 200–300 нс и росту пиковой мощности излучения.

В случае недостаточной самомодуляции добротности резонатора, возникающей за счет эффекта ОВФ, возможно использовать пассивные насыщающиеся поглотители. Они позволяют повышать пиковую мощность генерируемого излучения не только за счет собственной модуляции порога генерации, но и за счет влияния на интенсивность внутрирезонаторых пучков, записывающих решетки коэффициента усиления. Вариация коэффициента начального пропускания затвора позволяет менять пиковую мощность и энергию в импульсе в пределах нескольких порядков.
В [29] показано, что использование насыщающегося поглотителя YAG : Cr4+ с коэффициентом пропускания 5% в лазере YAG : Nd3+ с диодной мультикиловаттной накачкой и петлевым резонатором позволяет получать импульсы с пиковой мощностью до 30 МВт. Вариация начального пропускания затворов YAG : Cr4+ и GSGG : Cr4+ в диапазоне 5–55% позволяет изменять пиковую мощность в импульсе от 250 кВт до 30 МВт при изменении энергии в цуге генерации в пределах 20% (рис.4). Столь значительный диапазон пиковой мощности излучения позволяет осуществлять одинаковое воздействие на расстояниях, отличающихся на несколько порядков, без существенного изменения теплового режима работы лазера.

Дальнейшее повышение энергии в импульсе возможно осуществить путем повышения энергии накачки или путем сложения, в том числе когерентного, излучения нескольких лазерных каналов. В [30] проведено исследование характеристик излучения YAG : Nd3+ лазера на основе квантрона повышенной мощности. В режиме пассивной модуляции добротности с пересечением пучков в насыщающемся поглотителе LiF : F2 с начальным пропусканием 10% получены цуги импульсов с энергией 2,55 Дж и параметром качества излучения М2 ≤ 1,2 при расходимости 0,35 мрад и пространственной яркости 7 · 1014 Вт · см–2 · ср–1. Пиковая мощность одночастотных импульсов превысила 21 МВт при их энергии 230 мДж. Увеличение пиковой мощности излучения ОВФ-лазера может быть достигнуто путем активной модуляции добротности.
Таким образом, лазеры с обращением волнового фронта являются инструментом с возможностью вариации энергетических и спектральных характеристик в широких пределах. Это обеспечивает универсальность лазерной установки для широкого круга прикладных задач и возможность быстрой смены параметров генерации как в рамках одного, так и разных приложений.

ПОДХОДЫ К ПОСТРОЕНИЮ ЛАЗЕРОВ ДЛЯ КОСМИЧЕСКИХ ПРИМЕНЕНИЙ
Твердотельные лазеры, в том числе волоконные и полупроводниковые, остаются в фокусе внимания разработчиков космической лидарной и локационной техники благодаря приемлемой энергетической эффективности, опыту эксплуатации в космических условиях, относительной простоте и удобству в работе.

Мощность твердотельных лазеров ограничена лучевой стойкостью их активных сред, предельные размеры которых ограничены технологиями роста (изготовления) лазерных кристаллов. Лимитирующей также является проблема усиленного спонтанного излучения, особенно актуальная в случае использования широкоапертурных дисковых активных элементов. Критическое значение имеют вопросы обеспечения тепловых режимов.
Высокую яркость излучения в твердотельных лазерах достигают, применяя архитектуру «задающий генератор + усилитель». Альтернатива этому решению может быть реализована в твердотельном лазере с помощью эффекта ОВФ при четырехволновом смешении. Твердотельные ОВФ-лазеры обеспечивают возможность варьирования характеристик излучения в широких пределах при сохранении высокой яркости, что позволяет оптимальным образом их использовать в лидарной и локационной космической технике.
Долгое время считалось, что твердотельные лазеры с большой величиной средней мощности, в том числе способные обеспечить требуемые для абляционного воздействия импульсно-периодические режимы работы с экстремально высокими энергиями в импульсе, имеют плохое оптическое качество излучения. Этот недостаток не позволял рассматривать их для применения на больших дистанциях.
Однако, как было показано [31–34] в последнее время, получение высокой яркости при высокой средней мощности лазерного излучения становится достижимой задачей, если использовать несколько физических явлений: ОВФ (для компенсации искажений волнового фронта в усилительном каскаде) и когерентное сложение излучения нескольких каналов (позволяющее повысить суммарную яркость излучения пропорционально квадрату количества лазерных каналов).
Современные подходы к когерентному сложению заключаются в фазировании и синхронизации излучения отдельных лазерных каналов путем реализации эффекта ОВФ при вынужденном рассеянии Мандельштама-Бриллюэна или четырехволновом смешении в лазерной активной среде. Варианты лазеров для космических задач сведены в таблицу.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Твердотельные ОВФ-лазеры высокой яркости остаются актуальным направлением исследований, в том числе в интересах практических применений в космической технике для решения лидарных и локационных задач, передачи энергии, абляционного удаления космического мусора с околоземных орбит и абляционного ускорения космических аппаратов.

ЛИТЕРАТУРА
1. Kolb F. M. et al. The LIRIS‑2 3D Imaging LIDAR on ATV‑5 – Guidance, Navigation, and Control 2016. – Advances in astronautical sciences, 2016, v.157. p.1023–1028.
2. Ruel S. et al. On-Orbit Testing of Target-less TriDAR3D Rendezvous and Docking Sensor. – Proc. of the 10th i-SAIRAS, 2010, p.15–21.
3. Зубов Н. Е. и др. Оптимизация массы и энергопотребления лазерных локационных систем для управления сближением и стыковкой космических аппаратов. – Космическая техника и технологии, 2014, т. 3, вып. 6, c. 39–42.
4. Winker D. M. et al. The CALIPSO Mission: results and progress. – Proc. SPIE. 2010, v.7832, p. 78320B1–7.
5. Anderson D. E. et al. Characterization of LIBS emission lines for the identification of chlorides, carbonates, and sulfates in salt/basalt mixtures for the application to MSL ChemCam data. – Journal of Geophysical Research Planets, 2017, v.122(4). p.744–770.
6. Cosentino A. et al. Spaceborne lasers development for ALADIN instrument on board ADM-Aeolus ESA mission. – Proc. SPIE, 2015, v. 9626, p. 962662 1–9.
7. Бачманов М. М. и др. Тенденции развития радиолокационной аппаратуры и лидарных систем дистанционного зондирования Земли Российской Федерации. – Космонавтика и ракетостроение, 2014, т. 5, вып. 78, c.22–30.
8. Любченко Ф. Н. и др. Лазерные локаторы орбитального базирования. Принципы создания и возможности их использования. – Космонавтика и ракетостроение, 2014, т. 6, вып. 79, c. 5–12.
9. Соколов А. Л. и др. Космические ретрорефлекторные системы. – Светотехника, 2017, т. 4, c. 19–23.
10. Калюта А. Н. Глобальный мониторинг космической обстановки – важнейшее направление обеспечения военной безопасности Российской Федерации в воздушно-космической сфере. – Военная мысль, 2017, т. 9, c. 5–11.
11. Ковтун В. С. и др. Космические системы связи разработки Ракетно-космической корпорации «Энергия» имени С. П. Королева. – Космическая техника и технологии, 2015, т. 2, вып. 9, с. 3–24.
12. Smutny B. et al. 5,6 Gbps optical intersatellite communication link. – Proc. SPIE. 2009, v.7199, p.719906 1–8.
13. Космонавтика XXI века. Попытка прогноза развития до 2101 года / под ред. Б. Е. Чертока. – М.: РТСофт, 2010.
14. Лазеры: применения и приложения / под ред. А. С. Борейшо. – С-Пб.: Лань, 2016.
15. Авдеев А. В. и др. Анализ возможности очистки околоземного пространства от опасных фрагментов космического мусора с помощью космической лазерной установки на основе автономного непрерывного химического HF-лазера. – Квантовая электроника, 2011, т. 41, вып.7, c.669–674.
16. Phipps C. R., Bonnal C. A spaceborne, pulsed UV laser system for re-entering or nudging LEO debris, and re-orbiting GEO debris. – Acta Astronautica, 2016, v.118, p.224–236.
17. Soulard R. et al. ICAN: A novel laser architecture for space debris removal. – Acta Astronautica, 2014, v.105(1), p.192–200.
18. Ивакин С. В. Принципы построения лазерных комплексов дистанционного энергоснабжения низкоорбитальных космических аппаратов. – Интерэкспо Гео-Сибирь, 2015, т. 1, вып.5, c.124–129.
19. Nayfeh T., Fast B. et al. High Intensity Laser Power Beaming Architecture for Space and Terrestrial Missions. – NASA/TM‑2011–217009, 2011, p.1–17.
20. Kosmo K., Lubin P. et al. Directed Energy Planetary Defense. – Proc. of IEEE Aerospace Conference, 2015, p.1–9.
21. Lubin P. The Roadmap to Interstellar Flight. – Journal of the British Interplanetary Society, 2016, v.69, p.40–72.
22. Phipps C. R., Bonnal C. et. al. Small Payload Transfers from Earth to LEO and LEO to Interplanetary Space using Lasers. – Proc. of the 7th EUCASS, 2017, p.1–15.
23. Bohn W. L.  Long range laser propagation: power scaling and beam quality issues. – Proc. SPIE. 2010, v.7751, p.775127 1–7.
24. Борейшо А. С.  Мощные мобильные химические лазеры. – Квантовая электроника, 2005, т. 35, вып.5, c. 393–406.
25. Архипов Д. А. и др. Оптимизация рабочих характеристик твердотельного лазера с диодной накачкой для космических применений. – Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 2016, т. 16, вып. 8, c.1000–1007.
26. Райкунов Г. Г. и др. Перспективы, проблемы и пути создания лазерных космических электростанций. – Известия РАН. Энергетика, 2017, т. 2, c.165–176.
27. Вениаминов С. С., Червонов А. М. Космический мусор – угроза человечеству. Второе издание, исправленное и дополненное. – Механика, управление и информатика, 2011, т. 5, вып. 17, c.1–208.
28. Pogoda A. P., Lebedev V. F. et al. All-Solid-State Nd: YAG Lasers with Self-Pumped Multiwave-Mixing Phase Conjugate Cavities. – Optical Memory and Neural Networks (Information Optics), 2013, v. 22(4), p.1–5.
29. Погода А. П. и др. Режим пассивной модуляции добротности твердотельного лазера с многопетлевым резонатором. – Письма в журнал технической физики, 2016, т. 42, вып. 6, c.35–41.
30. Бурковский Г. В. и др. Малогабаритный Nd: YAG-лазер с поперечной полупроводниковой накачкой и самонакачивающимся фазово-сопряженным многопетлевым резонатором. – Квантовая электроника, 2016, т. 46, вып.11, c.976–978.
31. Zakharenkov Yu. et al. 2-kW Average Power CW Phase-Conjugate Sold-State Laser. – IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 2007, v.13(3), p. 473–479.
32. McNaught S. et al. 100-kW Coherently Combined Nd: YAG MOPA Laser Array. – Frontiers in Optics. OSA Technical Digest (CD), 2009, paper FThD2.
33. Басиев Т. Т. и др. Петлевые лазерные резонаторы на самонакачивающихся ОВФ-зеркалах в слабо усиливающих активных средах для сфазированных многоканальных лазерных систем. – Квантовая электроника, 2011, т. 41, вып.3, c.207–211.
34. Mason P. et al. Kilowatt average power 100 J-level diode pumped solid state laser. – Optica, 2017, v.4, p.438–439.

Источник: http://www.photonics.su/files/article_pdf/6/article_6488_71.pdf