НАСА - Лазерные технологии: пролить свет

  1. Что такое лазер?
  2. Лазеры в НАСА Лэнгли
  3. Будущее
  4. Почему мы должны видеть


FS-1996-12-10-LaRC
Декабрь 1996

Представьте, что вы знаете достаточно об урагане, чтобы эвакуировать нужных людей. Или достаточно знать об атмосфере Земли, чтобы предсказать климатические тренды и остановить негативное воздействие человека. Рассмотрим время, когда достижения в медицинских процедурах удаляют скальпель в музей. И подумайте о производстве, ориентированном на точность, которое снижает потребительские расходы благодаря своей эффективности.

Одно из достижений в технологии может помочь в достижении этих целей 21-го века - это лазер. Лазер уже интегрирован в нашу повседневную жизнь, в сканерах супермаркетов, видео и компакт-дисках, в качестве инструмента для стоматологической работы, в косметической пластике и общей хирургии, а также в промышленности, где он используется для выравнивания оборудования и даже вырезания ткани для одежда.

Лазеры также меняют способ проведения исследований учеными, и они являются важным инструментом для исследований атмосферы в Исследовательском центре Лэнгли НАСА.

Что такое лазер?

Лазер * - это уникальный вид света, более интенсивный и концентрированный, чем что-либо в природе. Лазерный свет отличается от белого света (такого как солнечный свет, свет, который мы используем в лампах или фонариках) несколькими способами. Свет от большинства источников распространяется, когда он путешествует, так что гораздо меньше его попадает в данную область, когда он движется дальше от своего источника. Путешествуя в виде плотного непрерывного луча, лазерный луч рассеивается не так сильно, как он уходит от своего источника. Кроме того, в то время как белый свет представляет собой смесь цветных световых волн, лазерный свет является монохроматическим, с единственной длиной волны, которая соответствует одному конкретному цвету. Одинаковые длины волн проходят параллельно друг другу для усиления, создавая сильный луч, который может быть сфокусирован до диаметра менее 0,001 дюйма. Лазерное излучение можно очень точно контролировать как непрерывный непрерывный пучок или в виде импульсов или импульсов.

* Усиление света за счет вынужденного излучения

Световые волны от фонарика бывают разных цветов и разной длины;  однако лазерные световые волны имеют одну и ту же длину волны и имеют только один цвет
Световые волны от фонарика бывают разных цветов и разной длины; однако лазерные световые волны имеют одну и ту же длину волны и имеют только один цвет.

Хотя они могут пробурить отверстия в самом твердом веществе из всех - алмазные лазеры могут также выполнять деликатные операции, такие как операция.

Первые лазеры выросли из эксперимента в 1960-х годах, когда немецкий ученый Теодор Майман обнаружил, что можно разделять и концентрировать волны света. Для этого использовались различные материалы и конструкции.

Типичный твердотельный лазер с диодной накачкой
Типичный твердотельный лазер с диодной накачкой

Лазеры в НАСА Лэнгли

Ученые из Исследовательского центра Лэнгли НАСА занимались исследованием и разработкой лазеров для дистанционного зондирования (мониторинга и измерения) атмосферы Земли с момента ее зарождения. В последние годы они включили лазеры в исследования атмосферы в рамках программы НАСА «Миссия к планете Земля». Цель этого долгосрочного глобального исследования - изучить взаимодействие всех компонентов окружающей среды - воздуха, воды, земли, жизни - которые составляют систему Земли. Хотя использовались различные методы дистанционного зондирования, достижения в области лазерных технологий открывают новые взгляды на атмосферу Земли и ставят лазер на передний план исследовательских инструментов.

В 1985 году НАСА Лэнгли выполнило свою первую воздушную лазерную миссию: изучить водяной пар и плотность аэрозолей (мелких частиц) в нашей атмосфере.

Менее чем через 10 лет, в 1994 году, НАСА Лэнгли объединилось с промышленностью, чтобы установить в космосе лазерный датчик атмосферы для исследования атмосферы. Лидар Эксперимент в области космических технологий (Lite) был доставлен на борт космического челнока Discovery (STS-64). Во время своей 12-дневной миссии LITE измерял облачный покров Земли и отслеживал аэрозоли в атмосфере. Лазер, использованный в этой миссии, был компонентом лидара (обнаружение света и определение дальности). Лидар похож на радар, но вместо того, чтобы отражать радиоволны от цели, лидар использует короткие импульсы лазерного света для отражения или отражения частиц - даже молекул - в атмосфере. Отраженный свет возвращается в телескоп, где он собирается и измеряется.

Данные LITE анализируются и архивируются, и они оказались настолько эффективными в представлении глобальной картины атмосферы Земли, что ученые НАСА Лэнгли в настоящее время изучают осуществимость и потенциальные преимущества использования лидарных инструментов на спутниках.

В том же году НАСА Лэнгли выполнило еще одну лидарную миссию. Летал на высотном самолете ER-2, который является модифицированным самолетом-шпионом U-2, Лидарский эксперимент по атмосферному зондированию (LASE) использовал первый перестраиваемый лазер для автономного функционирования. Лидар, использованный в этой миссии, был разработан для измерения атмосферных элементов, которые обычно трудно обнаружить, таких как водяной пар и загрязняющие вещества. В этом лидаре дифференциального поглощения (DIAL) используются два лазерных луча, пульсирующих на разных длинах волн, один из которых настроен на определенную частицу или газ, который его поглощает, а другой настроен так, чтобы оставаться не поглощенным. Измеряя разницу между двумя лучами, когда они возвращаются в телескоп - один частично поглощенный и один неповрежденный - ученые могут определить количество присутствующей частицы или газа.

Работа НАСА Лэнгли в области разработки лазерных технологий, естественно, нашла применение в медицине и производстве. Инженеры NASA Langley сыграли важную роль в разработке лазера с диодной накачкой, который в настоящее время является современным из-за его эффективности, надежности и длительного срока службы. В ответ на промышленную потребность в таком лазере НАСА Лэнгли объединилось с другими, чтобы избавить диодный полупроводник от лабораторного интереса к продукту, который промышленность с тех пор коммерциализировала.

НАСА Лэнгли также внесло большой вклад в разработку более эффективного лазера для специальных медицинских применений, таких как разрезы и артериальные пластыри.

Будущее

LASE и LITE собрали данные по широкому спектру явлений, от аэрозолей в верхних слоях атмосферы до облачных капель, загрязняющих веществ и защитного слоя озона на Земле. Будущие лидарные инструменты будут приспособлены для конкретных целей. Инженеры NASA Langley в настоящее время создают лазеры с различными характеристиками для нужд дистанционного зондирования. Эти лазеры являются очень специализированными, единственными в своем роде приборами, для которых часто требуются необычные длины волн и необычные форматы импульсов или вспышек света. Они должны быть в состоянии выдержать трудности запуска и суровые космические условия и надежно работать в течение длительного времени. Цель НАСА Лэнгли состоит в том, чтобы лазер работал в космосе без присмотра в течение пяти лет, или эквивалентно пяти миллиардам импульсов. Ученые НАСА Лэнгли уже проверили способность лазера пульсировать такое количество раз. Следующий шаг - сделать это в космосе.


В 1994 году инструмент LITE полетел на борту космического челнока Discovery
В 1994 году инструмент LITE полетел на борту космического челнока Discovery.
Международная команда ученых в более чем 50 местах по всему миру
помог собрать данные, чтобы подтвердить измерения, сделанные из космоса.

Инженеры НАСА Лэнгли разрабатывают лазер для измерения скорости ветра. Глобальные измерения скорости ветра, полученные из космоса, помогают определить циркуляцию воздуха. Такие знания позволят улучшить прогнозирование погоды и более точно определить путь сильных штормов. Местные показания воздуха или земли повысили бы безопасность воздушного судна за счет определения опасных ветровых условий. Лазерные датчики ветра могут обнаружить сильные нисходящие потоки, называемые сдвигом ветра, которые были замешаны в фатальных авариях самолетов. Эти лазеры также повысят эффективность работы терминала аэропорта, предоставляя лучшую информацию тем, кто принимает решения о воздушном движении. Этот более сложный лазер может определять вихри (горизонтальные торнадо, возникающие на кончиках крыльев больших самолетов), которые могут нарушить посадку небольших самолетов слишком близко позади. Эти лазеры могут также определять, когда вихри рассеиваются под воздействием местных ветровых условий, которые позволили бы более низким самолетам приземляться более эффективно.

Почему мы должны видеть

Нам всем нужно заботиться о нашей атмосфере. Это влияет на всех нас. Это влияет на нашу погоду. Это влияет на озон, который защищает нас, поглощая вредное ультрафиолетовое излучение. Глобальное загрязнение влияет на воздух, которым мы дышим, и количество солнечного света, который достигает нас. Пыльные бури и извержения вулканов также изменяют нашу атмосферу. Если мы сможем более точно прогнозировать природные явления, такие как погода, мы можем быть готовы. И, если мы действительно сможем увидеть результаты того, что мы можем сделать, чтобы навредить атмосфере нашей планеты, мы можем изменить наши вредные привычки.

Инженеры NASA Langley продолжают разрабатывать более совершенные лазеры для измерения содержания влаги в атмосфере. Эти инструменты будут предоставлять информацию для долгосрочных прогнозов дождя, которые могут улучшить распределение и без того ограниченных водных ресурсов.

Лазерная технология также разрабатывается для потенциальных будущих миссий по измерению озона и других парниковых газов, которые являются основными источниками глобального потепления и охлаждения. Важно понимать больше об этих составляющих атмосферы, чтобы понимать и реагировать на глобальные изменения климата. НАСА Лэнгли помогает США в совместном проекте с Канадой по разработке космических лазерных полетов, чтобы узнать больше об атмосферном озоне. Эти международные усилия предпринимаются после того, как спутниковые данные зафиксировали истощение озонового слоя вблизи обеих полярных областей Земли. Усовершенствованная система лидаров под названием ORACLE (исследование озона с помощью усовершенствованных совместных экспериментов с лидарами) предоставит ключевую информацию, необходимую для понимания глобальных изменений, атмосферных явлений, химии, истощения озонового слоя, метеорологии и других экологических проблем.

НАСА Лэнгли совместно с другими центрами НАСА разработает лазерные приборы дистанционного зондирования для возможного будущего исследования Луны, Марса и других планет. Лазеры, предназначенные для измерений альтиметрии, помогут в создании планетарных карт. Лазеры также будут полезны для определения ветра и количества атмосферных аэрозолей. Эта информация поможет дизайнерам узнать, с какими условиями они столкнутся при разработке будущего космического корабля для полета на Луну или Марс.

В ответ на растущую озабоченность атмосферой Земли НАСА Лэнгли исследует новые способы сбора и анализа этих важных данных. По мере того, как исследователи разрабатывают технологии, необходимые для этого, они приближают нас к пониманию того, как защитить нашу атмосферу.

Для получения дополнительной информации обращайтесь:
Управление по связям с общественностью
Mail Stop 115
Исследовательский центр НАСА Лэнгли
Хэмптон, Вирджиния 23681-0001
(757) 864-6124
НАСА Лэнгли Медиа и общественная деятельность

ИЛИ ЖЕ

Посетите Отделение атмосферных наук НАСА Лэнгли Домашняя страница ASD ,

Что такое лазер?
Что такое лазер?