Technologie

„Powietrzny” laser pomoże wykrywać ładunki wybuchowe

Żołnierz w zaciemnonum laboratorium obserwuje wiązkę niebieskiego alsera

Żołnierz w zaciemnonum laboratorium obserwuje wiązkę niebieskiego alseraUkryte przy drogach, zdalnie detonowane ładunki wybuchowe stały się zmorą żołnierzy biorących udział w misjach w Iraku i w Afaganistanie. W laboratoriach trwają zatem prace nad opracowaniem nowych, skuteczniejszych sposobów wykrywania materiałów wybuchowych na odległość. Jedna z metod opiera się na obserwacji wiązki laserowej, która rozprasza się na obecnych w powietrzu cząsteczkach związków chemicznych. Aby jednak zastosować taką metodę, ładunek musi znaleźć się między źródłem wiązki, a detektorem. Warunek raczej nie do spełnienia w konwoju wojskowym. Czy na pewno?

W styczniowym wydaniu Science opublikowano artykuł badaczy z Princeton University, którzy przedstawiają metodę na zdalne wyemitowanie wiązki laserowej z… powietrza. Skupiając wiązkę lasera ultrafioletowego w pewnym obszarze, udało im się zaobserwować emisję z tego obszaru wiązki światła podczerwonego. Należy tutaj podkreślić, że nie chodzi tutaj o odbicie światła ze źródła, ani też o promieniowanie termiczne. Powracająca wiązka jest bowiem skolimowana i koherentna, czyli krótko mówiąc ma wszelkie cechy światła pochodzącego wprost ze źródła laserowego.

Skąd jednak to źródło?

Schemat dysocjacji cząsteczki tlenu pod wpływem światła ultrafioletowego.

Absorbcja dwóch koherentnych fotonów o długości fali 226nm powoduje dysocjację cząsteczek tlenu.

Jest nim tlen. Okazuje się, że cząsteczki tlenu atmosferycznego oświetlone wiązką laserową o długości fali równej 226nm zachowują się w szczególny sposób. Po pierwsze, cząsteczki O2 po zaabsorbowaniu jednocześnie dwóch fotonów o tej długości fali dysocjują, czyli rozpadają się na dwa pojedyncze atomy. W dalszej kolejności te atomy po absorpcji kolejnych dwóch fotonów przechodzą w stan wzbudzony – ich elektrony przesuwają się na wyższe poziomy energetyczne.

W krótkim czasie (impuls pierwotny trwa raptem 100 pikosekund czyli 100 bilionowych części sekundy) w oświetlanym obszarze jest więcej atomów wzbudzonych niż niewzbudzonych. Stan taki nazywa się inwersją obsadzeń i jest warunkiem koniecznym do wystąpienia emisji laserowej.

Schemat poziomów energetycznych atomu tlenu w czasie omawianego procesu.

Schemat przejść elektronów między poziomami energetycznymi atomu tlenu. Po lewej: pod wpływem dwóch fotonów światła ultrafioletowego, elektron wynoszony jest na wysoki poziom energetyczny. Po prawej: pod wpływem fotonu światła podczerwonego, elektron traci energię i "opada" na pośredni poziom energetyczny. Towarzyszy temu emisja fotonu światła podczerwonego, spójnego z fotonem który wywołał przejście energetyczne. Ostatnie przejście z poziomu pośredniego na najniższy odbywa się w sposób niepromienisty (nie jest emitowany foton)

Gdy impuls oświetlający się zakończy, w krótkim czasie atomy zaczynają przechodzić z powrotem w stan podstawowy (tzw. emisja spontaniczna). Istotne przy tym jest, że elektrony „wracają” na swoje podstawowe powłoki trochę „inną drogą” niż je opuściły. W efekcie w procesie tym atom emituje jeden foton o długości fali 845nm (podczerwień). W obszarze gdzie występuje inwersja obsadzeń, wystarczy jeden taki foton, aby wywołać łańcuchowa reakcję emisji fotonów o tej samej długości fali (tzw. emisja wymuszona), a co najważniejsze będących w tej samej fazie, i skierowanych w tym samym kierunku co foton który tą reakcję zapoczątkował. To właśnie emisja laserowa.

No dobrze, ale co zrobić, żeby ta emisja nastąpiła akurat w kierunku lasera który ją wywołał?

Ten problem rozwiązano nadając odpowiedni kształt obszarowi, w którym skupiana jest wiązka lasera ultrafioletowego. Obszar ten ma kształt cylindra o osi ustawionej wzdłuż promienia lasera. Taki kształt powoduje, że najwięcej fotonów emitowanych jest właśnie w kierunku tej osi, bo w tym kierunku zachodzi najwięcej „łańcuchowych” emisji. Część fotonów jest oczywiście emitowana w kierunku „od” lasera źródłowego i jest nieużyteczna. Część (około 6%) ucieka na boki. Część natomiast wraca z powrotem, po drodze rozpraszając się na obecnych w powietrzu cząsteczkach.

Badając w jaki sposób wiązka się rozprasza, można stwierdzić na jakie związki chemiczne napotyka po drodze. Każdy związek ma bowiem trochę inny wpływ na kształt oświetlającej go wiązki.

Główne zastosowanie tej metody, które podkreślają autorzy artykułu, to wspomniane we wstępie wykrywanie par materiałów wybuchowych. Można bowiem sobie wyobrazić urządzenie tego typu zminiaturyzowane na tyle, by dało się zamontować w pojeździe opancerzonym. Wyposażone w układ elektronicznego sterowania mogłoby  w krótkim czasie przepatrywać właściwie całe otoczenie pojazdu w poszukiwaniu niebezpiecznych substancji.

Ale zastosowania militarne to na szczęście nie wszystko. Przykładem zastosowania cywilnego może być na przykład obserwacja zanieczyszczeń i zapylenia w górnych warstwach atmosfery. Obecnie naukowcy wykorzystują do tego celu laser, ale obserwują rozproszone na cząsteczkach aerozoli światło odbite, które jest bardzo słabe. W nowej metodzie, powracający impuls jest wielokrotnie jaśniejszy, a ponadto można go wywołać na ściśle określonej wysokości.

ResearchBlogging.org

Więcej informacji:
Dogariu A, Michael JB, Scully MO, & Miles RB (2011). High-Gain Backward Lasing in Air. Science (New York, N.Y.), 331 (6016), 442-445 PMID: 21273482
Print Friendly

O autorze

Michał Jarosz

Inżynier automatyki i robotyki. Utrzymuje się z projektowania systemów bazodanowych. Dorywczo koordynator badań klinicznych. Członek Association for Computing Machinery. Założyciel i opiekun zespołu obliczeń rozproszonych BOINC@Poland. Na koncie jeden maraton i aspiracje do kolejnych.