Jak napisała The Telegraph, na Ukrainę może zostać dostarczona nowa brytyjska broń laserowa DragonFire. Poinformował o tym 11 kwietnia brytyjski minister obrony Grant Shapps podczas wizyty w laboratorium DragonFire. Podkreślił, również że zależy mu na przyspieszeniu procesu wdrożenia tej broni na okrętach i na lądzie. Pytanie o prawdziwe powody sygnalnej informacji, która może świadczyć o zamiarze przeprowadzeni praktycznych prób bojowych prototypu broni laserowej w warunkach rzeczywistego pola walki XXI wieku. Informacja jest na tyle elektryzująca, że w chwili obecnej Ukraina zmaga się z problemem braku rakiet do zachodnich i posowieckich systemów obrony przeciwlotniczej. Powolne drony uderzeniowe Shahed są zwalczane przez mobilne grupy ogniowe z bronią maszynową, ale szybsze pociski coraz częściej dolatują do celu, niszcząc infrastrukturę energetyczną i krytyczną. Każdy środek obrony przeciw lotniczej jest na wagę złota dla walczącej Ukrainy
Według dostępnej literatury taka broń laserowa może uderzać w każdy wrogi cel znajdujący się w zasięgu wzroku. Po drugie, dysponuje niezwykle wysoką precyzją i w przypadku system DragonFire może on trafić w cel wielkości monety z odległości kilometra. Po trzecie, taka broń jest niezwykle tania. W przypadku "smoczego ognia" koszt jednego strzału wynosi mniej niż 10 funtów. To właśnie ta ostatnia cecha sprawia, że broń laserowa jest bardzo pożądana dla niemal każdej armii na świecie. Klasyczne systemy obrony przeciwlotniczej korzystają bowiem nie tylko z pocisków ale również z rakiet, których koszt wynosi nawet kilka milionów dolarów za sztukę, nietrudno zatem zrozumieć, dlaczego nie tylko Brytyjczycy intensywnie pracują nad takim wyposażeniem. Ta technologia jest rozwijana także w armii USA czy Chin.
Odnośnik internetowy “DragonFire: UK laser could be used against Russian drones on Ukraine front line” dostepny jest pod adresem: https://www.bbc.com/news/uk-68795603 Orginalne urzadzenie “Laser-directed energy weapons (LDEWs) use an intense beam of light to cut through their target” jest rozwijane przez firmy MBDA, Leonardo UK and QinetiQ and the Defence Science and Technology Laboratory. Przedstawiony artykułu jest skromnym wstępem do historii technologii laserowej, której rozwój przez ostatnie 60 lat doprowadził do opracowania broni laserowej, którą w ubiegłym wieku literatura i technika traktowała jako Science fiction
US3245002 STIMULATED EMISSION SEMICONDUCTOR DEVICES, Rober N.HALL, Data patentu: 5.04.1966. Przedmiotem wynalazku jest dioda półprzewodnikowa przystosowana do wytwarzania stymulowanego promieniowania spójnego, zawierająca obszary typu N i P, z zanieczyszczeniami atomowymi lub domieszkowane, oddzielone bardzo cienkim obszarem pośrednim lub złączem. Kiedy tak utworzona dioda jest poddawana polaryzacji w kierunku przewodzenia przy wyjątkowo dużych gęstościach prądu, powstaje emisja spójnego promieniowania elektromagnetycznego, przy czym promieniowanie to ma wąską długość fali i wysoką wydajność. Zgodnie korzystnym rozwiązaniem wynalazku stosuje się związki półprzewodnikowe z przejściem bezpośrednim i uzyskuje się spójne promieniowanie światła widzialnego i podczerwonego.
Tak więc podstawowym celem niniejszego wynalazku jest zapewnienie źródła stymulowanego promieniowania spójnego, które ma prostą konstrukcję. Kiedy tak utworzona dioda jest poddawana polaryzacji w kierunku przewodzenia przy bardzo dużych gęstościach prądu, spójne promieniowanie elektromagnetyczne jest emitowane bocznie przez polerowane powierzchnie. Promieniowanie to ma wąską długość fali i wysoką wydajność. Zgodnie z korzystną postacią wynalazku stosuje się związki półprzewodnikowe w których zjawisko z przejściem bezpośrednim pomiędzy atomowymi poziomami energetycznymi zapewnia spójne promieniowanie światła widzialnego i podczerwonego.
FIG.I jest widokiem perspektywicznym typowego urządzenia skonstruowanego według wynalazku; FIG.2 to schemat obwodu operacyjnego do obsługi urządzenia z FIG.1; FIG.3 to wykres emisji z urządzenia takiego jak to zilustrowane na FIG.1, wskazujący obecność progu dla wymuszonej emisji spójnej z niego; FIG.4 to wykres ilustrujący kształt fali emisji z urządzenia takiego jak na FIG.I i stanowiący dowód spójności; FIG.5 to uogólniony diagram poziomu energii dla zastosowanych materiałów półprzewodnikowych, który ilustruje zjawisko fizyczne odpowiedzialne za działanie wynalazku; a FIG.6 i 7 przedstawiają schematyczne rysunki alternatywnych konfiguracji urządzeń według wynalazku.
FIG.I rysunków przedstawia diodę półprzewodnikową zbudowaną według niniejszego wynalazku i przystosowaną do emitowania wymuszonego promieniowania spójnego. Urządzenie z FIG.I składa się z kryształu materiału półprzewodnikowego oznaczonego ogólnie jako I, mającego domieszkowany obszar typu P, 2 i domieszkowany obszar typu N, 3, przy czym obszary te są oddzielone obszarem złącza P-N, 4. Nieprostujący kontakt pomiędzy obszarem typu P, 2 a pierwszą elektrodą 5 jest wykonywany za pomocą akceptorowej lub elektrycznie neutralnej warstwy lutowniczej 6, a nieprostujące połączenie pomiędzy obszarem typu N, 3 a drugą elektrodą 7 jest tworzone za pomocą warstwa lutownicza typu donorowego lub elektrycznie neutralna warstwy 8. Złącza elektrod 9 i 10 są połączone odpowiednio z elektrodami 5 i 7, na przykład poprzez spawanie, lutowanie itp. Jak pokazano na FIG.2, dioda półprzewodnikowa może zostać aktywowana w celu emisji wymuszonego promieniowania spójnego poprzez zastosowanie polaryzacji przewodzenia, na przykład poprzez podłączenie do źródła prądu stałego o wystarczająco dużej wydajności prądowej, aby spowodować wytwarzanie spójnego promieniowania.
Na FIG.2 takie źródło impulsowe jest pokazane schematycznie jako 15 i jest połączone z diodą I poprzez szeregowy rezystor ograniczający 16. Można również zastosować środki 17 do kontroli temperatury w celu regulowania temperatury diody I w celu zmiany wartości prądu, przy której osiągany jest próg wymuszonej emisji spójnej. Korpus półprzewodnikowy I z FIG. I jest ogólnie monokrystaliczny i jest cięty w taki sposób, że przednia powierzchnia 11 i tylna powierzchnia 12 mogą być wypolerowane w celu uzyskania dokładnej równoległości w płaszczyznach które są prostopadłe do płaszczyzny obszaru skrzyżowania 4. Ta równoległość jest konieczna, aby powstała fala stojąca w krysztale półprzewodnika, co zapewnia generacje wysokowydajnej emisji promieniowania spójnego. Jako przykład niezbędnego stopnia równoległości w jednym urządzeniu skonstruowanym według niniejszego wynalazku określono, że stopień równoległości jest porównywalny z zachowaniem wymiaru 0,5 mm. pomiędzy powierzchnią przednią i tylną wymagana jest tolerancja wynosząca jedną dziesiątą mikrona, chociaż liczba ta jest podana jedynie jako przykład i może różnić się w zależności od materiału.
Materiał, z którego wycięty jest kryształ półprzewodnika I, może składać się na ogół z półprzewodnika złożonego lub stopu półprzewodników złożonych z klasy III-Grupa V (układu okresowego), które są określane jako półprzewodniki przejścia bezpośredniego. (przystosowany do bezpośredniego przejścia elektronów pomiędzy pasmami walencyjnymi i przewodnictwa) i może zawierać np. arsenek galu, antymonek indu, ind. arsenek, fosforek indu, antymonek galu i stopy pomiędzy nimi i mogą ponadto obejmować stopy przejścia bezpośredniego z innymi materiałami, takimi jak stopy arsenku galu i fosforek galu (sam w sobie pośredni) w zakresie od zera do 50 procent atomowych fosforku galu. Długość fali emitowanego promieniowania zależy od pasma wzbronionego (różnicy energii pomiędzy pasmem przewodnictwa a pasmem walencyjnym wybranego półprzewodnika). Materiały odpowiednie do wytwarzania zdegenerowanego N i P różnych półprzewodników, z których można zbudować urządzenia według niniejszego wynalazku, zależą od użytego materiału przewodzącego i niekoniecznie są takie same w każdym przypadku, nawet jeśli materiały mogą być tego samego klasa. Zatem wszystkie związki układu okresowego III grupy V wykorzystują siarkę, selen i tellur jako donory, a cynk, kadm, rtęć i magnez jako akceptory.
Z drugiej strony pierwiastki cyna, german i krzem mogą służyć jako donory lub akceptory w zależności od konkretnego półprzewodnika i metody jego przygotowania. Na przykład w antymonku galu wyhodowanym ze stopu stechiometrycznego wszystkie są akceptorami. W indzie. antymonek, cyna jest donorem, natomiast german i krzem są akceptorami. W pozostałych półprzewodnikach z przejściem bezpośrednim typu Grupa 111-Grupa V donorami są Sri, Ge i Si. Dowolna para donorów i akceptorów, która ma wystarczająco wysoką rozpuszczalność dla materiału użytego do wytworzenia kryształu I, może zostać wykorzystana do utworzenia domieszkowanych obszarów 2 i 3 w urządzeniu z FIG.1.
Podczas działania urządzenie z FIG.1 jest poddawane impulsowi prądu stałego o wysokim poziomie prądu, na przykład około 5000 do 50000 amperów na centymetr kwadratowy w przypadku diody z arsenku galu. Aby uniknąć przegrzania, szerokość impulsu jest dogodnie utrzymywana na poziomie około 1 do 10 mikrosekund. Ponieważ stwierdzono, że próg wymuszonej emisji spójnego światła na przykład z diody z arsenku galu jest powiązany z temperaturą diody, dogodne może być poddanie diody działaniu niskiej temperatury, aby obniżyć próg emisji spójnej i wykluczają konieczność stosowania źródła prądu o wysokim natężeniu. Tak więc, na przykład, gdy diodę z arsenku galu zanurza się w kolbie Dewara (protoplasta nazwy Termos) z ciekłym powietrzem o temperaturze około 77stop K. próg emisji spójnej występuje przy około 10 000 amperów na centymetr kwadratowy i spada do mniej niż 2000 A/CM.2 przy 20stop K. Na FIG.3 na rysunku przedstawiono wykres strumienia świetlnego w zależności od gęstości prądu, przedstawiający próg wymuszonej emisji spójnego światła podczerwonego z diody z arsenku galu zbudowanej zgodnie z wynalazkiem z FIG.1.
W obszarze krzywej A, FIG.3 światło wzrasta zasadniczo liniowo wraz ze wzrostem gęstości prądu i jest niespójne. W miejscu padania części B krzywej z FIG.3 strumień świetlny mierzony w kierunku prostopadłym do powierzchni 11 nagle wzrasta nieliniowo i staje się spójny. Spójność jest wskazywana przez wzory dyfrakcyjne prostopadłe do płaszczyzny złącza, wskazujące określoną zależność fazową pomiędzy światłem emitowanym z różnych bocznych części obszaru złącza P-N 4 diody. W miarę dalszego zwiększania gęstości prądu impulsu krzywa strumienia świetlnego w funkcji gęstości prądu wchodzi do części C i strumień świetlny ponownie rośnie wolniej. ale światło pozostaje jednak spójne. Na FIG.4 krzywe D i E ilustrują dalsze dowody spójności światła emitowanego przez diodę z FIG.1. Krzywe D i E są narysowane w różnych skalach, a maksimum krzywej E może być od 20 do 50 razy większe od krzywej D. Jest to celowe, aby porównać obie. Krzywa D na FIG.4 jest przedstawieniem rozkładu widmowego światła emitowanego z obszaru złącza P-N 4 diody I przed osiągnięciem progu promieniowania spójnego. Jak można zauważyć, wartość połowy wysokości szerokości pasma dla tego rozkładu widmowego wynosi w przybliżeniu 150 Angstremów.
Jak można zauważyć, szerokość linii w połowie wysokości wynosi w przybliżeniu 15 jednostek Angstremów. Szczytowa amplituda światła emitowanego w trybie koherentnym jest około 20 do 50 razy większa niż w trybie niespójnym. Szerokość krzywej rozkładu widmowego podczas emisji spójnego, stymulowanego światła zależy od trybu oscylacji we wnęce rezonansowej określonej przez przednią i tylną powierzchnię 11 i 12 diody I i może w rzeczywistości składać się z pojedynczego piku lub kilku pików w zależności od tryb lub liczba istniejących trybów. Mody, które mogą występować w dowolnej konfiguracji, obejmują te mody, których całkowita liczba połówek długości fali jest równa długości wnęki rezonansowej pomiędzy powierzchniami 11 i 12.
W znanych urządzeniach ze stymulowanym promieniowaniem koherentnym emisja wymuszona jest na ogół wynikiem co najmniej dwóch istniejących stanów poziomów energii powyżej poziomu masy dla wzbudzonego elektronu (jak na przykład w maserze trójpoziomowym), a czasami nawet zależy od na trzech poziomach powyżej stanu podstawowego dla emitującego elektronu (czteropoziomowy maser). Promieniowanie jest wynikiem dwóch częstotliwości wejściowych, a mianowicie częstotliwości pompy i częstotliwości sygnału. Energia częstotliwości pompy powoduje podniesienie elektronów ze stanu podstawowego do wysokiego poziomu, po czym po skończonym czasie schodzą do stanu metastabilnego o dość długim czasie życia. Po podniesieniu wystarczającej liczby elektronów ze stanu podstawowego i następnie opuszczeniu ich do stanu metastabilnego, może nastąpić inwersja populacji, w której w stanie podstawowym występują stany puste, a w stanie metastabilnym występuje wysokie stężenie elektronów.
W tym momencie częstotliwość sygnału o energii równej różnicy energii pomiędzy stanem metastabilnym a stanem podstawowym lub bezpośrednio niższym wywoła przejście w dół ze stanu metastabilnego do stanu podstawowego lub stanu bezpośrednio niższego. Jeżeli wnęka rezonansowa jest zapewniona w taki sposób, że istnieje fala stojąca, promieniowanie emitowane przez przejście w dół stymuluje dalsze przejścia w dół i powoduje dużą liczbę przejść i odpowiednio dużą liczbę kwantów promieniowania, które są w fazie, a zatem mają charakter spójny. Jeżeli dokonano by dokładnej analogii pomiędzy nimi a półprzewodnikowym spójnym emiterem według niniejszego wynalazku, spójna emisja tego ostatniego występowałaby pomiędzy stanami zanieczyszczeń zlokalizowanymi pomiędzy pasmami przewodzenia i walencyjnymi. Uważa się jednak, że tak nie jest. W przypadku urządzeń do spójnej emisji wymuszonej według niniejszego wynalazku uważa się, że przejścia zachodzą ze zdegenerowanego obszaru typu N do zdegenerowanego obszaru typu P, w którym następuje inwersja populacji w wyniku nakładania się obszaru wypełnionych stanów w region typu N i obszar pustych stanów w regionie typu P. Ta „inwersja obsadzeń” powstaje w wyniku zastosowania dużego odchylenia w kierunku przewodzenia oraz w wyniku degeneracji obszarów typu N i P urządzeń według niniejszego wynalazku oraz grubości pośredniego obszaru złącza P-N.
Według wynalazku wyemitowane kwanty promieniowania mają co najmniej energię pasma wzbronionego charakterystycznego dla półprzewodnika, z którego zbudowana jest dioda, i są wyzwalane do emisji przez obecność kwantu energii o wartości co najmniej tak dużej jak wartość pasma wzbronionego półprzewodnika. Kwant taki może początkowo wynikać z emisji spontanicznej reprezentowanej przez krzywą D na FIG.4, która jest w pewnym stopniu obecna. Należy w tym miejscu zauważyć, że chociaż przejście elektronu ze stanu wypełnionego w paśmie przewodnictwa do stanu pustego w paśmie walencyjnym powoduje emisję kwantu energii o energii w przybliżeniu równej energii pasma wzbronionego, pierwotny kwant lub foton nie ulega zniszczeniu, ale nadal istnieje, ponieważ nie ma rozpraszającej absorpcji energii. Należy ponadto zauważyć, że pasmo wzbronione półprzewodnika może zostać znacznie zmniejszone w porównaniu z pasmem czystego półprzewodnika w wyniku obecności wysokiego stężenia zanieczyszczeń wymaganych do spowodowania degeneracji obszarów zgodnie z dobrze znanym zachowaniem silnie domieszkowanych półprzewodników .
Podobnie jak w innych urządzeniach emitujących wymuszoną emisję, intensywność spójnego promieniowania zwiększa się poprzez spowodowanie pojawienia się fali stojącej we wnęce rezonansowej. W urządzeniu z FIG. I wnęka rezonansowa stanowi obszar połączenia 4 korpusu półprzewodnika grupy III-VI przejścia bezpośredniego, takiego jak na przykład kryształ arsenku galu, oraz bezpośrednio przylegające części obszarów 2 i 3 pomiędzy powierzchniami czołowymi a tylne twarze. Ponieważ te powierzchnie są wypolerowane do optycznej gładkości, współczynnik odbicia powierzchni jest wysoki, rzędu 0,4 lub więcej, a znaczna część fotonów światła podczerwonego emitowanych przez przejścia w dół jest odbijana z powrotem przez obszar złącza, powodując dalsze wyzwalanie przejść w dół, aż emisja fotonów w podczerwieni gwałtownie wzrośnie, jak w części B krzywej na FIG.3 . Częściową metalizację powierzchni 11 i 12 można również wykonać w przypadkach, w których współczynnik odbicia wypolerowanej powierzchni jest niewystarczający.
Kiedy w obszarze złącza diody z arsenku galu skonstruowanej jak na FIG.1 zostanie utworzony przebieg fali stojącej, znaczna część światła podczerwonego jest przepuszczana przez wypolerowaną przednią i tylną powierzchnię, jako monochromatyczny impuls świetlny o dużej intensywności. Otrzymuje się krzywą E z FIG. 4 rysunku. Stymulowanemu spójnemu promieniowaniu urządzeń według niniejszego wynalazku, a w szczególności emisji spójnego promieniowania podczerwonego z kryształu arsenku galu, jak opisano powyżej, sprzyja duże prawdopodobieństwo rekombinacji międzypasmowej w porównaniu z absorpcją wolnego nośnika w arsenku galu (i innych półprzewodnikach związków bezpośredniego przejścia) oraz faktem, że energia emitowanego promieniowania jest niższa od progu absorpcji domieszkowanego materiału ograniczającego obszar złącza 4. Poprzez odpowiedni dobór materiału, z którego wykonana jest dioda, np. dopuszczając, aby podobne materiały miały różne pasmo wzbronione, możliwe jest „dopasowanie” pasma wzbronionego tak, aby uzyskać światło lub inne promieniowanie o pożądanej długości fali.
Chociaż konfiguracja z FIG. I ilustruje jeden przykład wykonania wynalazku, możliwych jest wiele innych konfiguracji. Zasadniczymi cechami są regiony typu P i N z domieszką zdegenerowaną, z bardzo cienkim obszarem znajdującym się pomiędzy nimi, w którym można uzyskać inwersję obsadzeń. który lokalizuje wnękę rezonansową dla fal stojących. Chociaż w opisanym powyżej wykonaniu ten obszar jest obszarem złącza P-N, który jest najłatwiejszym do uzyskania tego typu obszarem, mógłby on korzystnie być umieszczonym w środku obszarem typu I, w wyniku czego powstaje struktura P-I-N. Strukturę taką: można uzyskać wytwarzając zdegenerowany kryształ typu N (jak 3 na FIG.1), następnie hodując technikami wzrostu epitaksjalnego kontrolowanie cienki obszar typu I (jak 4 na FIG. 1), a następnie hodując, przez epitaksję powstaje zdegenerowany region typu P (jak 2 na FIG. 1). Cięcie i polerowanie kryształu będzie takie jak poprzednio. W tym wykonaniu region typu I może być faktycznie wewnętrzny lub może być albo słabo typu P, albo typu N.
Alternatywne geometrie również wchodzą w zakres wynalazku. Na przykład prostokątna geometria z FIG.1 może zostać zastąpiona cylindryczną geometrią z FIG.6, w której podobne części są oznaczone podobnymi liczbami. W tym przypadku wnęka rezonansowa zlokalizowana jest w obszarze cylindrycznym 4, a światło emitowane jest promieniowo. Jako kolejną alternatywę można zastosować geometrię z FIG.7. W tym przypadku wnęka rezonansowa jest pusta i cylindryczna. Promieniowanie jest emitowane wzdłuż pierścieniowego końca wnęki w przekroju poprzecznym. Zgodnie z wynalazkiem można także zastosować inne dobrze znane struktury wnęki rezonansowej. Urządzenia do spójnego promieniowania o wymuszonej emisji według niniejszego wynalazku mają wiele zalet w porównaniu z innymi urządzeniami o wymuszonej emisji w stanie stałym i gazie. Podczas gdy inne urządzenia wymagają stosowania częstotliwości mikrofalowych lub intensywnego światła widzialnego lub podczerwonego, pompowanie urządzeń według niniejszego wynalazku jest całkowicie elektryczne i korzystnie osiąga się je poprzez przyłożenie odpowiedniego impulsu prądu stałego do diod.
Pozwala to na wykorzystanie niezwykle prostego sprzętu pomocniczego w porównaniu z bardzo złożonym i kosztownym sprzętem pomocniczym niezbędnym w przypadku innych urządzeń z wymuszoną emisją. Prawdopodobnie największa zaleta stymulowanych, spójnych emisyjnie promienników według niniejszego wynalazku polega na ich wydajności. Zaobserwowano bieżące sprawności powyżej 50% i sprawności energetyczne na poziomie około 20% do 30%. Oczekuje się, że w miarę dalszego rozwoju i lepszego zrozumienia podstawowych zjawisk z tym związanych, efektywność konwersji energii elektrycznej na wymuszoną emisję spójną, taką jak na przykład światło widzialne lub podczerwień, będzie bliska 100%. Strumień świetlny laserów skonstruowanych według niniejszego wynalazku można łatwo modulować. Modulację amplitudy można łatwo uzyskać poprzez zmianę wartości prądu lub gęstości prądu, któremu poddawana jest dioda emisji wymuszonej. Modulację częstotliwości można uzyskać poddając diodę działaniu pól magnetycznych lub naprężeń sprężystych,. Innym sposobem uzyskania modulacji jest wbudowanie w ten sam korpus kryształu, który stanowi diodę według wynalazku, przetwornika piezoelektrycznego, tak, że impulsy elektryczne mogą elastycznie naprężać kryształ diody. Należy zdawać sobie sprawę, że chociaż opisałem konkretne przykłady wykonania wynalazku, można wprowadzić wiele modyfikacji.
US4656635 LASER DIODE PUMPED SOLID STATE LASER, Baer et al., Data patentu: 7.04.1987.
Przedmiotem patentu jest laser na ciele stałym domieszkowany neodymem lub innym pierwiastkiem ziem rzadkich jest pompowany przez dopasowaną diodę laserową o wysokiej wydajności, co zapewnia realizacje kompaktowego zespołu laserowego o wysokiej wydajności i długiej żywotności. Sygnał wyjściowy pochodzi z zakresu bliskiej podczerwieni, ale można go przekształcić w widmo widzialne za pomocą podwajacza częstotliwości wewnątrz wnęki. Kryształ podwajający, którym może być kryształ KTP, umieszcza się w optymalnym miejscu we wnęce lasera. Polaryzację wiązki można uzyskać po prostu przez naprężenie niedwójłomnego pręta przed podwojeniem częstotliwości lub poprzez zastosowanie na pręt materiału dwójłomnego, takiego jak Nd:YLF. Dwójłomność–zdolność ośrodków optycznych do podwójnego załamywania światła (rozdwojenia promienia świetlnego). Substancje, dla których zjawisko zachodzi, nazywamy substancjami dwójłomnymi. W optymalnym położeniu we wnęce lasera można także umieścić etalon tłumiący szumy amplitudowe; alternatywnie można zastosować wnękę pierścieniową lub parę ćwierćfalowych płytek. Konfiguracja wnęki złożonej tworzy parę przecięć belek we wnęce. Pracę impulsową można uzyskać za pomocą przełącznika Q.
FIGA.1 to przekrój wzdłużny zespołu lasera na ciele stałym pompowanego diodą laserową według wynalazku, obejmujący pręt laserowy, diodę laserową, wnękę lasera, obudowę, urządzenie chłodzące i inne powiązane elementy, oraz pokazujący (liniami przerywanymi) dodatkowe cechy podwajacza częstotliwości, etalonowego tłumienia szumów i przełącznika Q;
FIG.2A,B,C przedstawiają schematyczne przekroje systemu z różnymi alternatywnymi środkami polaryzacji wiązki laserowej; FIGA.2D to schematyczny przekrój przedstawiający system z etalonem i Q-witch; FIGA.3 jest graficzną reprezentacją kształtu wiązki lasera we wnęce lasera, z pasem wiązki utworzonym pomiędzy prętem lasera a łącznikiem wyjściowym na przednim końcu zespołu, pokazującym także położenie elementów optycznych (bez skali); FIG.4 przedstawia powiększony przekrój pręta laserowego układu laserowego, w celu wskazania specjalnych powierzchni pręta; FIGA.5 jest schematycznym przekrojem w orientacji wzdłużnej złożonej konfiguracji wnęki; FIGA.6 jest graficzną reprezentacją kształtu wiązki laserowej w złożonej wnęce, z parą przecięć wiązek.
Na rysunkach FIG.1 przedstawia zespół 10 lasera neodymowo-YAG w przekroju wzdłużnym. Głównymi elementami lasera 10 są pręt 11 lasera neodymowo-YAG i dioda laserowa 12 znajdująca się w tylnej części zespołu. Zespół zawiera soczewki 13 i 14, przez które wiązka diody laserowej przechodzi w drodze do pręta laserowego 11, podwajacz częstotliwości 16 (linie przerywane) po stronie wyjściowej pręta laserowego, sprzęgacz wyjściowy 17 (który obejmuje przednią powierzchnię lustro) na przednim końcu zespołu, radiator 18 z tyłu zespołu, chłodnica Peltiera 19 pomiędzy diodą 12 a radiatorem 18 oraz obudowa 21, która może zawierać przednie i tylne elementy obudowy 22 i 23, do których przymocowane są wszystkie te elementy operacyjne. W zestawie znajduje się również regulator temperatury 24 i zasilacz 26. Zasilacz 26 dostarcza energię elektryczną do diody laserowej 12, powodując jej emisję wiązki diody laserowej 27 i wytwarzanie ciepła odpadowego, które jest usuwane przez chłodnicę Peltiera 19 i radiator 18. Pokazano, że regulator temperatury 24 jest podłączony do chłodnica Peltiera 19 do regulowania temperatury diody i dostrajania jej za pomocą temperatury do długości fali właściwej do pompowania pręta lasera Nd-YAG 11. Dioda laserowa 12, która może być układem diod laserowych z arsenku galu i glinu (GaAlAs, których długość fali jest bliska właściwej długości fali wzbudzenia pręta Nd-YAG, przy czym do precyzyjnego „dostrojenia” wymagana jest kontrola temperatury ” wiązki wyjściowej diody 27. W jednym korzystnym wykonaniu układ diod laserowych 12 emituje wiązkę zasadniczo o długości fali 0,808 mikrona, czyli długości fali właściwej do pompowania pręta Nd-YAG 11. Taka dioda laserowa ma wydajność około 20 %.
Dioda 12 może być utrzymywana w obudowie za pomocą zacisku diodowego 28. Nieruchome mocowanie 31 obiektywu jest zamocowane w części obudowy, która może stanowić tylny kołnierz końcowy 32 przedniego elementu 22 obudowy i utrzymuje soczewkę 13 w ustalonym położeniu. Stała soczewka 13 działa jak soczewka kolimacyjna, przekształcając rozbieżną wiązkę 27 z układu diod laserowych 12 w zasadniczo równoległą wiązkę. Skolimowana wiązka diody laserowej 27a przechodzi następnie przez soczewkę 14, która jest soczewką ogniskującą, w celu ogniskowania wiązki na tylnym końcu kryształu Nd-YAG 11. Jak wskazano, pochylnie ogniskujące 14 są regulowane i zamontowane na regulowanej soczewce szpula 33, która obraca się w gwintowanym otworze, jak pokazano, w celu regulacji położenia obiektywu 14 do przodu i do tyłu. Korzystnie, w przednim elemencie obudowy 22 znajduje się otwór 34, umożliwiający dostęp do regulowanej szpuli 33 obiektywu w celu obracania jej za pomocą szeregu otworów 36 w szpuli obiektywu.
Skoncentrowana, zbieżna wiązka diody laserowej 27b wchodzi do pręta lasera Nd-YAG 11 i wzbudza atomy neodymu w pręcie, wytwarzając wiązkę lasera w zakresie bliskiej podczerwieni. Wnęka lasera na pręt lasera Nd-YAG jest wyznaczona pomiędzy sprzęgaczem wyjściowym 17, który zawiera częściowo lustrzaną powierzchnię, a przeciwległym lusterkiem tylnym umieszczonym gdzieś z tyłu pręta Nd-YAG 11. W jednym przykładzie wykonania wynalazku, tylna powierzchnia 39 samego pręta laserowego 11 jest pokryta powłoką o wysokim współczynniku odbicia wynoszącym 1,06 mikrona, służącą jako tylne zwierciadło wnęki lasera. Jest to również pokazane na FIG.4, przedstawiający pręt Nd-YAG 11 w powiększeniu. Należy zauważyć, że termin „odbity lustrzanie” stosowany w niniejszym dokumencie i w załączonych zastrzeżeniach obejmuje częściowe odbicie. Przed prętem lasera Nd-YAG 11 znajduje się wewnątrz wnękowy podwajacz częstotliwości 16, który korzystnie, ale niekoniecznie, jest zawarty w zespole 10. Wychodząca wiązka laserowa 41 z pręta lasera Nd-YAG 11 przechodzi przez podwajacz częstotliwości 16, gdzie długość fali zmniejsza się o połowę, podwajając jej częstotliwość. Korzystnie, podwajacz częstotliwości 16 jest kryształem, który jest prawie idealnym elementem podwajającym częstotliwość do tego celu, wybranym z grupy obejmującej KTP, LiNbO3 i LiIO3.
Wiązka laserowa powinna być spolaryzowana we wnęce lasera, aby zmaksymalizować skuteczność podwajania częstotliwości. Wewnątrz wnękowy podwajacz częstotliwości 16 przekształca jedynie padające światło spolaryzowane wzdłuż określonej osi. Niespolaryzowane światło przejdzie przez moduł podwajający 16 wzdłuż ortogonalnej osi i nie zostanie poddane konwersji częstotliwości. Dlatego padająca wiązka lasera powinna być spolaryzowana tak, aby pokrywała się z osią podwajacza 16. Jednym z sposobów rozwiązania tego problemu jest po prostu przyłożenie poprzecznego naprężenia do pręta Nd:YAG 11, co powoduje wytworzenie polaryzacji wiązki wzdłuż osi naprężenia. Oś naprężenia i wynikającej z tego polaryzacji wiązki powinna być zorientowana względem osi konwersji podwajacza 16, aby zmaksymalizować konwersję.
Według wynalazku, poprzeczne naprężenie pręta laserowego 11 można osiągnąć za pomocą prostej śruby naprężającej 42 wkręconej w element obudowy 22. Ponieważ ważne jest, aby naprężenie poprzeczne na pręcie lasera było zasadniczo stałe, korzystne może być dodanie do zespołu mocnej sprężyny dociskowej, w tym śruby ustalającej 42, na przykład podkładki Belleville, pomiędzy śrubą ustalającą a prętem lasera 11. FIG.2A, 2B i 2C przedstawiają schematycznie główne elementy zespołu diody laserowej i lasera Nd-YAG oraz wskazują trzy różne systemy ustalania polaryzacji w wiązce lasera 41. Na FIG. 2A, jak omówiono powyżej, zilustrowano naprężenie poprzeczne samego pręta Nd-YAG. FIGA.2B przedstawia alternatywny sposób, w którym wykorzystuje się ćwierćfalówkę 46 pomiędzy podwajaczem częstotliwości 16 a przednią powierzchnią lustrzaną 17. Fig.2C przedstawia zastosowanie płytki Brewstera 47, tj. kawałka szkła ustawionego pod kątem Brewstera. Ważne jest kontrolowanie polaryzacji wewnątrz wnęki lasera.
Wykres z Fig.3 przedstawia ogólnie wiązkę laserową 41 w przekroju wnęki laserowej. Przedstawia kształtowanie wiązki w celu utworzenia pasa 50 wiązki, to znaczy zwężonej części wiązki laserowej, gdy rezonuje ona we wnęce lasera pomiędzy dwiema lustrzanymi powierzchniami. W przedstawieniu FIG.3, przyjmuje się, że tylna powierzchnia lustrzana jest płaską powierzchnią tylną 39 pręta lasera Nd-YAG. Stwierdzono, że zmiana promienia krzywizny powierzchni soczewki 48 z przodu pręta laserowego wpływa na rozmiar pasa 50 wiązki. Węższy promień krzywizny spowoduje mniejszy pas, co usprawni proces podwajania częstotliwości. Stwierdzono, że ze względu na wydajność lasera według niniejszego wynalazku korzystne jest zmniejszenie szerokości wiązki 50 do minimalnej możliwej średnicy w porównaniu z innymi względami projektowymi, w tym dopuszczalnymi zakresami promienia na przednim końcu 48 pręta laserowego oraz do umieszczenia kryształu podwajającego częstotliwość KTP w pasie belki. W pokazanym wykonaniu minimalna praktyczna średnica talii może wynosić około 40 mikronów.
Inny aspekt kształtowania wiązki według niniejszego wynalazku dotyczy dopasowania objętości wiązki rezonansowej wewnątrz pręta YAG do wielkości wiązki diody laserowej wzbudzającej kryształ YAG. Połączenie wklęsłego zwierciadła sprzęgającego wyjściowego 17 i soczewkowatego końca 48 z przodu pręta YAG z lustrzanym tyłem 39 pręta umożliwia określenie rozmiaru wiązki w miejscu 51 na wykresie z FIG.3, czyli w obrębie pręta YAG, należy dostosować do odpowiedniej objętości. Wiązka skupiona z diody laserowej w krysztale YAG musi pokrywać się z objętością wiązki 51 wewnątrz pręta laserowego, aby skutecznie wzbudzić atomy neodymu w pręcie. Objętość pompowania musi być zasadniczo taka sama jak objętość tłoczenia. Jeżeli objętość wiązki lasera w krysztale YAG jest zbyt mała, objętość pompy z wiązki diody laserowej nie jest do niej dobrze dopasowana, co skutkuje zmniejszeniem wydajności lasera.
W przypadku zespołu lasera Nd-YAG z pompowaną diodą laserową według wynalazku stwierdzono, że w przypadku widzialnej wiązki laserowej o małej mocy można osiągnąć wydajności od około 0,5% do 1,0%. Na przykład, przy mocy elektrycznej około jednego wata dostarczonej do diody laserowej, której wydajność wynosi około 20%, wiązka wyjściowa diody laserowej będzie miała moc około 200 miliwatów. Generalnie przy tych poziomach pompy moc wyjściowa 1,06 mikrona stanowi około 30% mocy lasera diodowego, tak więc wiązka wyjściowa 1,06 mikrona ma moc około 60 miliwatów. Przy znacznie większej mocy, na przykład 10 watów mocy wejściowej diody laserowej, 2-watowa wiązka diody wyjściowej wzbudza pręt YAG, który emituje wiązkę lasera o mocy około 600 miliwatów. Przy tej wyższej mocy kryształ podwajający częstotliwość jest bardziej wydajny i można uzyskać moc wyjściową w zakresie widzialnym około 100 miliwatów. W ten sposób osiąga się jednoprocentową wydajność lasera widzialnego średniej mocy.
Kolejnym problemem występującym w zminiaturyzowanym, pompowanym diodą laserową laserze Nd:YAG o podwojonej częstotliwości wewnątrz wnęki, jak opisano wcześniej, jest generowanie szumu o amplitudzie, w tym skoków o dużej amplitudzie, które uniemożliwiają lub ograniczają użycie w zastosowaniach wymagających wysoce stabilnego lub stałego wyjście. Chociaż krótka wnęka lasera powoduje powstawanie modów podłużnych, które są stosunkowo szeroko rozstawione, krzywa wzmocnienia jest na ogół wystarczająco szeroka, aby umożliwić oscylację wielu modów podłużnych we wnęce lasera. Połączenie tych wielu trybów powoduje powstawanie szumu amplitudowego. W celu zmniejszenia lub wyeliminowania szumu amplitudowego, we wnęce prostopadłej do belki umieszcza się etalon 52 tłumiący szum amplitudowy, jak pokazano na FIG.1,2D,3. Aby uniknąć trudności z umieszczeniem dwóch elementów, podwajacza 16 i etalonu 52, w pasie belki 50, zastosowano alternatywną konfigurację, zagiętą wnękę 54, pokazaną na FIG.5, która jest preferowane. Złożona wnęka 54 zawiera wklęsłe zwierciadło składane 56, które tworzy z powierzchnią tylnego zwierciadła 39 pręta laserowego 11 pierwsze ramię wnęki lasera oraz wklęsłe zwierciadło końcowe 58, które tworzy ze zwierciadłem składanym 56 drugie ramię wnęki lasera.
W niektórych zastosowaniach pożądane są impulsowe wyjścia laserowe. Opisane wcześniej lasery działają zazwyczaj w trybie ciągłym (CW). Chociaż możliwe jest wytworzenie impulsowego sygnału laserowego poprzez pulsowanie diod laserowych pompujących pręt lasera, preferowaną metodą wytwarzania impulsowego sygnału wyjściowego jest przełączanie Q. Jak pokazano na FIG.1 i 2D, przełącznik Q, 66, zazwyczaj urządzenie akustooptyczne lub elektrooptyczne, jest umieszczony we wnęce lasera. Sterownik Q-switch 68 jest roboczo połączony z Q-switch 66. Podczas działania, Q-switch wyłącza laser, aby umożliwić narastanie inwersji obsadzeń, gdy pręt lasera jest pompowany przez diodę laserową. Następnie przełącznik Q jest wyłączany, wytwarzając impuls o wysokiej energii, ponieważ cała energia zmagazynowana we wnęce lasera zostaje uwolniona w krótkim czasie. Szerokość impulsu jest określona przez częstotliwość przełączania Q. W przypadku pracy impulsowej preferowanym materiałem może być YLF, ponieważ magazynuje więcej energii (około dwukrotnie) niż YAG.
WNIOSKI
Diody laserowe są zapewne najprostszymi w aplikacji laserami. Na rynku są dostępne w ich różne modele o niewielkiej mocy, które są szeroko stosowane w wielu urządzeniach – od wskaźników tablicowych po odtwarzacze płyt. Koncept lasera półprzewodnikowego opisywano teoretycznie już w latach 50. XX wieku. Pierwsze fizyczne realizacje zaprezentowano na początku lat 60, XX wieku w laboratoriach General Electric. Za skonstruowanie tego urządzenia półprzewodnikowego w GE odpowiedzialny był Robert Hall, którego uważa się za ojca laserów diodowych. Jednak dopiero postępy w zakresie technologii półprzewodnikowych lat 60 i 70. – epitaksja z fazy gazowej z użyciem związków metaloorganicznych, MOVPE (od ang. metalorganic vapour-phase epitaxy), chemiczne osadzanie z fazy gazowej z użyciem związków metaloorganicznych czy fotolitografia, pozwoliły na produkcję laserów zdolnych do pracy w temperaturze pokojowej z wysoką wydajnością. Cały ten rozwój nagrodzony został Nagrodą Nobla w 2000 roku. Nagrodę otrzymali Żores Ałfiorow i Herbert Kroemer, za osiągnięcia w dziedzinie półprzewodników heterostrukturalnych oraz Jack Kilby (1/2) za jego wkład w wynalezienie układu scalonego. To wyróżnienie podkreśla jak ważnym elementem współczesnej technologii jest dioda laserowa – zostały one niemal zrównane z układami scalonymi. W celu ilustracji zasady działania lasera półprzewodnikowego posłużono się uproszczonymi rysunkami pasmowej teorii przewodnictwa obowiązującej dla półprzewodników, z których wykonane są diody PN.
W dużym uroszczeniu, gdy do złącza PN zostanie przyłożony prąd elektryczny, powoduje to wstrzyknięcie elektronów i dziur do złącza. Te wstrzyknięte nośniki następnie łączą się i emitują fotony, które tworzą wiązkę lasera. Wiemy, że wolne elektrony w paśmie przewodnictwa mają wyższy poziom energii niż dziury w paśmie walencyjnym. Podczas tej rekombinacji dioda laserowa uwalnia energię w postaci fotonów. Światło emitowane przez diodę laserową jest wiązką spójną. Ze względu na efekt lawinowy więcej atomów uwalnia więcej fotonów podczas ruchu fotonów. W ten sposób generowanie coraz większej liczby fotonów powoduje powstanie bardzo silnej wiązki laserowej. Teraz przyjrzyj się etapom tworzenia spójnej wiązki. Można to zrobić w trzech krokach; absorpcja energii, emisja spontaniczna i emisja.
Wchłanianie - po przyłożeniu napięcia do diody laserowej elektrony w wiązaniu walencyjnym absorbują energię, aby rozerwać to wiązanie. Te wolne elektrony przemieszczają się na wyższe poziomy energii zwane pasmem przewodnictwa. Puste przestrzenie utworzone przez te elektrony nazywane są dziurami. Spontaniczna emisja - po absorpcji energii wiele wolnych elektronów przeskakuje do pasma przewodnictwa, które jest stanem o wyższej energii. Dziury pozostają w paśmie walencyjnym, które jest stanem o niższej energii. Te wolne elektrony będą łączyć się z dziurami, uwalniając dodatkową energię w postaci fotonów (Światła). Emisja stymulowana - fotony padające lub zewnętrzne zmuszają wolne elektrony w paśmie przewodnictwa do rekombinacji z dziurami w paśmie walencyjnym. Nazywa się to emisją wymuszoną. Każdy padający foton wytworzy dwa dodatkowe fotony podczas emisji wymuszonej.
Uwaga: Dla diody laserowej istnieje wartość progowa, która jest cechą kluczową. Poniżej tej wartości progowej emisja jest słabsza, dlatego aby je włączyć, należy przyłożyć określoną moc.Wyczerpujący opis zasady działania lasera diodowego można znaleźć również w polskiej literaturze, który polecam ze względów edukacyjnych : Lasery diodowe https://ep.com.pl/rynek/temat-miesiaca/15265-lasery-diodowe
How a LASER DIODE Works ⚡What is a LASER DIODE https://youtu.be/_I4fyOtyvPg
Wszelkie sugestie, że brytyjskie lasery mogłyby zostać wysłane na Ukrainę w celu zniszczenia rosyjskich dronów, napawają optymizmem. Szczególnie ,że w obecnej sytuacji gdy Rosja bombarduje nie tylko obiekty struktury krytyczne ale również obiekty cywilne, szpitale,szkoły osiedla mieszkaniowe oraz inne obiekty użyteczności publicznej, każda mobilna broń do walki z rakietami i dronami jest na wagę złota. Nazawa anglosaska tego rodzaju broni oznaczona jest skrótem LDEWs – Laser-directed energy weapons – use an intense beam of light to cut through their target. LDEW wykorzystują intensywną wiązkę światła, aby przeciąć cel i mogą uderzać z prędkością światła. Jako broń celownicza może zaatakować każdy widoczny cel, który znajduje się wystarczająco blisko, chociaż zasięg systemu DragonFire jest tajny.