Лазерный мир

О.Алексеева, Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт», Москва // Фотоника, 5/2015, с:98-104

В обзоре методов защиты пилотов от лазерных атак представлены последние достижения в области создания нанокомпозитных оптических покрытий. Тонкопленочные интерференционные металл-диэлектрические покрытия используют для улучшения свойств авиационных материалов остекления.

Один из первых случаев лазерных атак с целью отвлечь или временно ослепить летчиков относится к Фолклендской войне 1982 года, когда британские войска использовали лазерные системы против самолётов Аргентины [1]. С начала 1990-х годов в разных странах мира начали регистрировать случаи «лазерного» хулиганства с применением лазерных указок, направленного на гражданские самолеты. Количество их резко растет. Только в США в 2013 году было зарегистрировано 3960 попыток ослепить летчиков (для сравнения – 384 случая в 2006 году) [2]. В России в 2014 году было зафиксировано более 10 случаев. В апреле 2015 года хулиганы пытались ослепить пилотов при посадке пассажирских самолетов в Волгограде и в Саранске, а 17 августа лазерной указкой стали мешать пилотам самолета, заходившего на посадку в аэропорт Пулково (в это время высота полета составляла 3000 м).

Лазерные указки доступны и в подавляющем большинстве стран разрешены к применению. Как свидетельствует один из многочисленных сайтов, «лазерные указки любого цвета и мощности вы можете купить в нашей компании с доставкой по всей России». Конечно, они были созданы с благими намерениями – для использования на презентациях, при астрономических наблюдениях – но, к сожалению, превратились в потенциально опасное оружие. Сейчас наиболее распространенными являются зеленые лазерные указки на основе твердотельных лазеров с диодной накачкой (DPSS – diode pumping solid state). Мощным ИК-лазерным диодом с λ = 808 нм накачивается кристалл Nd: YVO4, дающий излучение с λ = 1064 нм. После прохождения через кристалл KTiOPO4 частота излучения удваивается, и генерируется видимый зеленый свет с λ = 532 нм. Отношение мощностей излучения с λ = 532 нм, 808 нм и 1064 нм примерно 1:3:9. Чтобы убрать излучение накачки с λ = 808 и оставшееся излучение с λ = 1064 нм, применяют ИК-фильтры (хотя в дешевых указках такие фильтры могут отсутствовать). Распространенные зеленые указки имеют мощность 1–5 мВт, но online можно купить зеленые указки мощностью до 1000 мВт. Для «лазерных атак» чаще всего используют именно зеленые лазерные указки с λ = 532 нм. По данным [3], это примерно 88% всех случаев за период 2004–2008 годы. Глаза чувствительны к узкому интервалу длин волн (380–800 нм), и в этом интервале относительная спектральная чувствительность имеет выраженный максимум для зеленого цвета. При дневном зрении максимум соответствует λ = 555 нм, при ночном он несколько сдвигается в коротковолновую область, λ = 507 нм (рис.1). Поэтому при одинаковой мощности источников разного цвета наиболее ярким глазу кажется зеленый. Действие излучения зеленых лазерных указок с λ = 532 нм, то есть вблизи максимума чувствительности глаза, приводит к вредным эффектам, и к тому же злоумышленникам или хулиганам легко направлять луч на нужный объект.

Воздействие зеленого лазерного излучения на пилотов может вызвать различные последствия – от раздражения и отвлечения внимания до нарушения функций глаза. Яркий направленный свет приводит к затенению предметов вблизи луча, появлению бликов, возникновению (на несколько минут) различных остаточных изображений. Возможна кратковременная слепота, сохраняющаяся после окончания воздействия, и даже повреждения хрусталика и сетчатки глаза [4].

В 2004 году был опубликован отчет Федерального управления гражданской авиации (FAA) США об изучении воздействия лазерного излучения (λ = 532 нм) на операционные и визуальные возможности летчиков во время захода на посадку [5]. Использовали безопасные для глаз уровни излучения 0; 0,5; 5 и 50 мкВт/см 2 (считается, что повреждение глаз происходит при уровне воздействия 2,54 мВт/см 2 при длительности воздействия более 0,25 сек [3]). Тесты на тренажере самолета «Боинг-727-200» прошли 34 пилота. При уровне воздействия 0,5 мкВт/см 2  13 человек «при посадке» испытали трудности, связанные с отвлечением внимания, кратковременной слепотой, ухудшением видимости взлетно-посадочной полосы и др., а один пилот почувствовал необходимость пойти на второй круг. При 5 мкВт/см 2 трудности испытали 62% (21 человек), 7 попыток посадки были неудачными. При 50 мкВт/см 2 было 9 неудачных попыток приземления (рис.2). Результаты подтвердили необходимость защиты от излучения при уровне ≥ 0,5 мкВт/см 2.

Авторы [6] измерили интенсивность лазерного излучения, проникающего через авиационные ветровые стекла. Лазеры небольшой мощности (50 мВт), в том числе зеленый с λ = 532 нм, были установлены на взлетно-посадочной полосе на разных расстояниях от стекол, за которыми находились детекторы. В результате измерений выяснилось, что лазеры с небольшого расстояния могут вызвать поражение глаз, так ка к интенсивность излучения довольно высока (~3 мВ/см 2 для расстояния 60 м и ~1 мВ/см 2 для 150 м). При расстоянии 300, 460 и 610 м интенсивность излучения составляет 100, 60 и 20 мкВт/см 2, соответственно. Как уже говорилось выше, и такие уровни воздействия могут вызвать трудности в управлении самолетом из-за временной слепоты, яркого блеска, отвлечения внимания и др.

Для борьбы с лазерными хулиганами в разных странах создают специальные подразделения, ужесточают наказание вплоть до тюремного заключения, вводят запрет на продажу лазерных указок повышенной мощности. В России законопроект об уголовной ответственности был внесен в Госдуму еще в 2011 году, но, по-видимому, до сих пор не принят. Покончить с лазерными хулиганами, конечно, сложно, а в ближайшее время просто невозможно. Поэтому так важны научные разработки, способные ослабить воздействие лазера на пилотов. Один из вариантов – использование различных защитных очков, козырьков и т. п. со специальными светофильтрами, блокирующими лазерное излучение.

Для пилотов очень важно следить за показаниями приборов в кабине, за наземными указателями и огнями, поэтому очки должны иметь высокий коэффициент пропускания при блокировке узкого диапазона волн вблизи длины волны λ излучения и обеспечить отличное распознавание цветов. Существует два подхода к созданию антилазерных очков – использование пластиковых линз с введенным красителем и нанесение на линзы покрытий [7]. В первом случае полимерные материалы в процессе производства пропитывают красителем, чувствительным к определенному цвету. Однако со временем такие материалы деградируют. Во втором случае используют современные технологии для нанесения оптических тонкопленочных многослойных покрытий на линзы, выполненные из стекла или пластика. Эти покрытия отражают нежелательное излучение.

Среди основных современных производителей антилазерных очков можно назвать Laser-Gard eyewear (Sperian/Honeywell), LaserShields eyewear (NoIR Laser Co.), Laser Armor eyewear (Night Flight Concepts), Laser Defense Eyewear (PerriQuest) и LaseReflect Aviator eyewear (Iridian Spectral Technologies) [8]. Последняя из этих компаний предложила новое решение – использовать многослойные диэлектрические покрытия [7]. На рис.3 показан эффект применения LaseReflect eyewear.

По информации производителей очки обеспечивают высокое пропускание света (от 50% до 80% для LaseReflect Aviator eyewear), при этом устраняют до 99,5% излучения с λ = 532 нм и позволяют распознавать цвета. Пилоты, проверявшие очки Laser-Gard, подтвердили, что могут различать цвета внутри кабины. Конечно, цвета немного сдвигаются. Это признают и производители. Например, на схеме, представленной Laser Defense Eyewear [9] видно, что ярко-зеленый становится желто-зеленым, красный – оранжевым (рис.4).

Использование очков может быть полезным, но не снимает все проблемы. Даже лучшие из них ухудшают видимость (особенно при ночных полетах), ослабляют и в некоторой степени искажают определенные цвета и тем самым мешают различать индикаторы приборов в кабине или сигнальные огни аэродрома. Нет необходимости носить очки в течение всего полета, так как атакам самолеты подвергаются при взлете или посадке, но если не носить их постоянно, то можно не успеть надеть в нужный момент. К тому же их нужно бережно хранить. Более того, многие пилоты по разным причинам просто не хотят носить очки. Федеральный авиационный департамент США (FAA) в настоящее время не требует применения специальных антилазерных очков [8], но желающие иметь дополнительную защиту могут их применять.

Другой подход к защите от лазерных атак основан на последних достижениях в области создания нанокомпозитных оптических покрытий. Тонкопленочные интерференционные металл-диэлектрические покрытия уже используют для улучшения свойств авиационных материалов остекления (например, для снижения солнечного и СВЧ-излучения в зарубежных самолетах). Российскими учеными разработаны тепло – и радиозащитные материалы авиационного остекления на основе органического стекла с тонкими многослойными оптическими интерференционными покрытиями [10]. Недавно исследователи из Lewis University, США, (химики, физики и специалисты в области авиации) предложили использовать светочувствительные нанокомпозитные покрытия для защиты самолетов от лазерных атак [2]. Эти покрытия наносят непосредственно на ветровое стекло кабины. Основа синтезированных в работе нанокомпозитов – квантовые точки СdS, закрепленные на частицах TiO2. В материал были дополнительно введены органические лиганды, усиливающие поглощение лазерного излучения определенной длины волны. Для получения прозрачного покрытия нанокомпозитный материал диспергировали в растворе поливинилового спирта (ПВС), который служил полимерной матрицей. Раствор наносили на ветровые стекла от Boeing 737 и проводили термообработку. Были получены прозрачные пленки с разной концентрацией наночастиц. На рис. 5 показано 4 образца – контрольный из чистого ПВС и А, В, С с разной концентрацией наночастиц (концентрация растет от А к С).

Были проведены лабораторные и полевые испытания с использованием Nd:YAG зеленого лазера (длина волны 532 нм, мощность 20 мВт) и синего лазера (длина волны 447 нм, мощность 20 мВт). Для полевых испытаний лазеры были установлены на расстоянии ~60 и 150 м. На рис.6 приведены значения интенсивности (мВт/см 2) света, проникшего «в кабину» через ветровое стекло и через 4 образца пленок, покрывающих стекло.

Как уже говорилось выше, считается, что повреждение глаз происходит при уровне воздействия 2,54 мВт/см 2; к ослеплению вспышкой приводит 0,1 мВт/см 2 [2, 3]. Как видно из рис.6, наличие покрытий заметно снижает риск ослепления. Для образца Film С при расстоянии 60 м мощность на единицу площади равна или чуть превышает 0,1 мВт/см 2, а при расстоянии 150 м для обоих лазеров она заметно ниже порога ослепления. Интенсивность лазерного излучения благодаря применению покрытий снижается на 36–88% (рис.7).

Для повышения эффективности покрытий следует провести дополнительные исследования влияния состава нанокомпозита. Далее, важно убедиться, что покрытия не ухудшают видимость и не снижают способность пилотов распознавать цвета. Безусловно, также необходимо оценить, как влияют реальные условия полета (температура, УФ-излучение и др.) на долговечность покрытия.

Авторами [2] пока получены только научные результаты, говорить об их внедрении, конечно, рано. А вот пленки MetaAIr, разработанные компанией Lamda Guard, в ближайшее время планируется испытать на ветровых стеклах самолетов Airbus [11]. Lamda Guard (подразделение Metamaterial Technologies Inc.) и Airbus год назад объявили о стратегическом партнерстве с целью широкого внедрения пленок MetaAirTM для защиты ветровых стекол самолетов. Эти прозрачные наноструктурные оптические интерференционные пленки созданы на основе метаматериалов (нанокомпозитов особой геометрии) [12]. По информации компании, пленки способны отражать лазерное излучение одного или нескольких цветов (ширина полосы 15–20 нм) в интервале углов падения ±50 градусов, не искажая видимость. Пленки путем адгезии крепятся на внутреннюю поверхность ветрового стекла кабины (рис.8).

Основные преимущества этой технологии заключаются в том, что пилотам не нужно будет использовать очки; а пленка абсолютно не мешает следить за показаниями приборов, индикаторными цветовыми указателями внутри кабины. Предварительные испытания показали, что применение пленки не мешает правильно различать сигнальные огни аэропорта. Из-за УФ-деградации адгезионного слоя через ~ 5000 часов полета потребуется его замена, но сам метаматериал не имеет срока использования.

По оценкам, выпуск продукта начнется в 2016 г. Испытания, по-видимому, займут несколько лет. Если они окажутся успешными, пленка MetaAirTM будет сначала сертифицирована для Airbus (A320, A350, A380 и др.), а затем станет доступна и другим производителям самолетов. Это будет первое широкомасштабное применение оптического нанокомпозитного метаматериала. По сообщению CBCNews (2015), Innovacorp инвестирует в Metamaterial Technologies Inc. 2 миллиона долларов с целью модифицирования продуктов metaAir для задач авиакосмической отрасли [13].

К сожалению, случаев лазерного хулиганства не становится меньше. Научному сообществу специалистов в области фотоники предстоит решить еще много задач. Необходимо не только снизить уровень возможного воздействия на пилотов, но и обеспечить защиту детекторов, видеокамер и других оптических приборов, которые также стали подвергаться лазерным атакам.

Полное содержание статьи: http://www.photonics.su/files/article_pdf/4/article_4890_835.pdf