ТОП-5 новейших лазерных технологий

Лазеры используются при создании большинства современных технологиях, от медицинского оборудования до металлорежущих станков с электронными устройствами и боевой техники. Ученые говорят, что лазеры - это фундаментальная основа современной экономики. В последнее время в этой сфере появилось немало новых разработок, которые наверняка окажут принципиальное влияние на разные отрасли.

Как за 10 секунд вылечить 100 тысяч клеток

Похоже, мечта ученых о быстрой транспортировке лекарств в клетки организма становится реальностью. До недавнего времени этот процесс был медленным и малоэффективным: он занимал минуту, причем за это время можно было воздействовать лишь на одну клетку.

Специалисты Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе разработали автоматизированное устройство BLAST (Biophotonic Laser-Assisted Surgery Tool - биофотонный хирургический инструмент с лазерным управлением), позволяющее доставлять наночастицы, ферменты, антитела, бактерии и другой "крупногабаритный груз" внутрь клеток со скоростью до 100 тысяч клеток в минуту.

До сих пор единственным методом доставки крупных частиц размером до 1 микрометра внутрь клетки было устройство, напоминающее миниатюрный шприц. BLAST -  это чип с отверстиями, под каждым из которых находится емкость с лекарством. С помощью лазерного импульса исследователи нагревают покрытие чипа, что приводит к мгновенному закипанию воды в лунках, прилегающих к поверхности клеток. В результате формируются пузырьки, лопающиеся в непосредственной близости от клеточной мембраны, образуя крупную пору, через которую жидкость поступает внутрь клетки. На все это уходит не больше 10 секунд, причем устройство одновременно обрабатывает до 100 тысяч клеток.

Жидкий хамелеон

Ученые из американского Северо-Западного университета разработали первые жидкие наноразмерные лазеры, которые могут менять цвет излучения. Это позволит применять технологию в таких актуальных, быстро развивающихся сферах, как лаборатории-на-чипе для медицинских и биохимических исследований, оптического хранения информации, при проведении медицинских процедур, в качестве источников света, создавать на их основе высокочувствительные биохимические датчики.

Основой нового лазера является так называемая оптическая впадина, куда из внешнего источника попадают фотоны света. Полость впадины заполнена множеством золотых наночастиц, обладающих высоким коэффициентом отражения. Свет концентрируется в местах скопления таких частиц, фокусируется и усиливается.

Цвет излучения лазера можно регулировать, если менять  химический состав и концентрацию веществ, растворенных в заполняющей оптическую впадину жидкости. Такие изменения позволяют также регулировать длину волны.

Бесспорное достоинство нового лазера - его дешевизна: благодаря простой конструкции, производство обойдется недорого. Нанолазеры могут функционировать как при комнатной температуре, так и при низких и высоких, а их миниатюрный размер обеспечивает высокую скорость работы и точнее, чем обычные лазеры, модулировать излучаемый свет четко определенной длины.

Li-Fi обеспечит рекордную скорость

По мнению специалистов отдела мобильных коммуникаций Эдинбургского университета, технологии оптической передачи данных Li-Fi могут стать полноценной заменой традиционным технологиям Wi-Fi, которые используют для передачи информации радиоволны. Более того, переход от светодиодных источников света к источникам на основе полупроводниковых лазеров позволит сделать системы освещения более экономичными и как минимум в 10 раз повысить скорость передачи через них данных.

Li-Fi-системы модулируют свет, излучаемый светодиодными осветительными приборами. Чрезвычайно быстрое мерцание света невидимо для человеческого глаза, но специальный приемник, подключенный к компьютеру или встроенный в смартфон, способен легко ловить информационный сигнал и даже передавать данные назад к приемопередатчику, обеспечивая двухсторонние коммуникации. Что касается светодиодных ламп, то они не излучают свет напрямую. Используемый в них люминесцентный материал преобразует синий свет от светодиодов в белый, что ограничивает скорость светового потока, а соответственно - скорость передачи информации.

Специалисты Эдинбургского университета показали, что замена светодиодов стандартными лазерными диодами может повысить эффективность осветительных приборов и ускорить передачу данных в системах Li-Fi. Для этого не требуется наносить люминесцентный материал: белый свет получается смешением света от нескольких лазеров, работающих на различных длинах световых волн. При этом каждая длина волны может использоваться как отдельный коммуникационный канал.

Сейчас системы Li-Fi на основе светодиодов достигают скорости передачи данных до 10 гигабит в секунду, что превышает аналогичный показатель Wi-Fi-технологий: самые скоростные из них могут обеспечить только 7 гигабит в секунду. Специалисты говорят, что технология лазерного Li-Fi позволит повысить скорость передачи информации до 100 гигабит в секунду и больше.

Космический "пылесос"

Инженеры из японского Института физико-химических исследований RIKEN разработали технологию для очистки околоземного пространства от накопившегося там космического мусора, мешающего освоению и изучению космического пространства. Для этого будут использовать установленный на Международной космической станции мощный лазер, а также телескоп, изначально разрабатываемый для изучения эффектов воздействия на атмосферу космических лучей. В рамках проекта Extreme Universe Space Observatory (EUSO) его сейчас строят в институте RIKEN. В светлое время или во время сумерек, когда охота за вспышками света затруднена или невозможна, разрешающей способности сильной оптики телескопа будет достаточно для обнаружения высокоскоростных частиц космического мусора.

А сбрасывать его с орбиты будут с помощью импульса оптоволоконного лазера CAN (Сoherent amplification network), изначально разработанного для накачки энергией ускорителей частиц. Такие лазеры могут вырабатывать необычайно мощные, но короткие импульсы света, затрачивая на это минимальное количество энергии. Силы такого лазера достаточно для уничтожения космического мусора: сдутый с поверхности, он войдет в земную атмосферу и сгорит там без следа.

Точно в цель

Известная оборонная и аэрокосмическая компания Lockheed Martin продемонстрировала свое новое лазерное оружие, способное поразить двигатель автомобиля с расстояния более 1,6 км. Наземная система Advanced Test High Energy Asset (ATHENA) использует для поражения целей волоконно-оптический лазер мощностью 30 кВт.

Система объединяет нескольких лазерных модулей и формирует один мощный луч, превосходящий 10-киловаттные лазеры других систем. ATHENA построена на базе существующей технологии Area Defense Anti-Munitions (ADAM) с портативным волоконным лазером мощностью 10 кВт. Эта установка, представленная год назад, легко поражает небольшие ракеты, беспилотные летательные аппараты и лодки. Lockheed Martin планирует использовать ADAM для оснащения военной авиации, морского флота и наземной техники.

Параллельно свой боевой лазер Tactical Laser Weapon Module - фотонное энергетическое оружие, представила оборонная компания General Atomics. Относительно небольшой, универсальный автономный модуль размером в два кубометра можно установить практически на любой технике, даже на джипе. Система способна вырабатывать импульсы мощностью от 75 до 300 кВт, модули разной силы будут отличаться по размеру и весу. Кроме того, вес системы зависит от количества "выстрелов", которые она может произвести, пока не исчерпает заряд аккумуляторных батарей. Инженерам удалось добиться уникального отношение массы к энергонасыщенности установки: всего 4 кг на 1 кВт.

Для управления системой используют специальный контроллер, подключаемый при помощи кабеля или беспроводных технологий. Нужно просто навести луч лазера на объект и нажать на кнопку. Для работы Tactical Laser Weapon Module не требуется его подключения к внешнему источнику энергии. General Atomics будет использовать Tactical Laser Weapon Module как дополнительное вооружение для вертолетов типа AC-130 или летательного аппарата V-22 Osprey.