لیزرهای توان بالا / لیزر الکترون آزاد برای نیروی دریایی

متن خبر: مرکز پرتو نور ELIء(Extreme Line Infrastructure) اروپا در Dolni Brezany نزدیکی پراگ با پرداخت 45 میلیون دلار به آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور آمریکا لیزری با قدرت لحظه ای بسیار بالا را سفارش داد. این لیزر باید بسیار پیشرفته تر از لیزر های حال حاضر در دنیا باشد و قرار است در بازه ای وسیع و بی سابقه از کاربردها، از تصویر برداری پزشکی تا فیزیک کوانتوم و امنیت ملی کاربرد داشته باشد ضمن اینکه تحقیقات دانشگاهی و صنعتی را در لبه تکنولوژی پشتیبانی بکند. آزمایشگاه لارنس لیورمور مناقصه بین المللی را برنده شد زیرا که سرمایه گذاری های وزارت انرژی آمریکا در این آزمایشگاه باعث غنی شدن این آزمایشگاه با طیف وسیعی از متخصصین سیستمهای لیزر پیچیده و مرتبط با امنیت ملی شده است. این لیزر قادر خواهد بود که بیش از یک میلیون گیگا وات توان پیک داشته و آن را با سرعت 10 بار در ثانیه تکرار بکند. عرض پالس این لیزر (مداومت ایجاد نور با خروجی پتاوات) در حدود سه صدم پیکو ثانیه خواهد بود. این سامانه ترکیبی از اپتیک پیشرفته و دیودهای نیمه هادی لیزر پیچیده خواهد بود که برای اولین بار قرار است با این نرخ تکرار پیک در خروجی تولید بشود. کار ساخت لیزر به کمک دانشمندانی از آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور و جمهوری چک در آمریکا انجام خواهد شد و بین سالهای 2016 الی 2017 در جمهوری چک نصب خواهد شد. مرکز Dolni 350 میلیون دلار هزینه برداشته است و مراکز دیگر ELI هم با بودجه اروپایی اتحادیه اروپا قرار است در رومانی و مجارستان ساخته شوند که مرکز مجارستان بر روی پدیده های طبیعی در زمان بندی های بسیار کوتاه در حد هزارم فمتو ثانیه (رژیم اتو ثانیه) و مرکز رومانی بر روی فیلد جدید "فوتو نوکلیر" کار خواهند کرد.

انواع لیزرهای توان بالا: لیزرهای شیمیایی: تقریبا اولین لیزرهایی بودند که به قدرت در رده مگاوات رسیدند. لیزرهای شیمیایی بیشتر از نوع دوتریوم فلوراید (DF) با طول موج بین 3.6 میکرومتر و 3.9 میکرومتر و لیزر شیمیایی یودین اکسیژن (COIL) هستند که در طول موج 1.315 میکرومتر عمل می کنند. به دلیل پدیده Thermal Blooming ناشی از تفرق نورقدرت بالا در برخورد با تاثیرات اتمسفری محیط دریا، برای رساندن انرژی مناسب به هدف چندان مناسب نیستند.
لیزرهای حالت جامد: (SSL) از نظر بلوغ تکنولوژیک در حد لیزرهای الکترون آزاد هستند (هنوز جای کار دارند.م.) ولی مشخصات خاص خود را دارند. برتری اساسی لیزر حالت جامد به لیزر الکترون آزاد، حجم و پیچیدگی نسبتا کم در قدرت های بالا است. در حالیکه این لیزرها هم سیستم خنک کننده احتیاج دارند اما نیازمند ایجاد خلاء شدید و خنک سازی کرایوژنیک نیستند از آن مهمتر SSL ها به شوک و ویبریشن مقاومتر هستند و خطر تشعشع کمتری هم دارند با اینکه الکترونیکی تحریک می شوند. مشکل اساسی SSL ها در دو چیز است یکی ماندگاری نمایی حرارت در مدیوم تحریک و دیگری پیچیده شدن و حجیم شدن آنها در توان بالای 100 کیلو وات نسبت به لیزر الکترون آزاد است.SSL ها به زحمت می توانند شرایط تولید طول موج 1.045 میکرومتر را فراهم آورند ولی نمی توانند در طول موجهای 1.62 و 2.2 میکرومتر تولید داشته باشند به همین دلیل در محیط های دریایی در توان زیر 100 کیلووات می تواند مفید باشند.
لیزرهای الکترون آزاد (FEL): این نوع لیزرها ذاتا برتری های فراوانی در کاربردهای توان بالا دارند. حداقل در پیکربندی اسیلاتور، Fresnel Number کوچک تشدید کننده این اطمینان را می دهد که کیفیت پرتو لیزر خروجی خوب خواهد بود و تفرق کمی خواهد داشت. آزمایش نشان داد که این ویژگی هم در آمپلی فایرها و هم در اسیلاتورها صادق است. نکته مثبت دیگر آن است که به دلیل سرعت الکترونها در واسطه تحریک حرارت بالای تولید شده در آنها با سرعت تخلیه می گردد و بر خلاف SSL ها ماندگاری حرارت در مواد تحریک شونده برای تولید نور لیزر بسیار کمتر است. مزیت بسیار مهم FEL ها قابلیت تنظیم طول موج با تغییر ساده انرژی الکترون یا قدرت میدان موج ساز (undulator) از طریق تغییر گپ است.اگر چه این قابلیت تنظیم به خاطر محدودیت پوشش های اپتیکی محدود می شود، اما همواره برای کاربردهای هوایی و دریایی در زمان طراحی طول موج مناسب تولید شده است. FEL ها قابلیت افزایش توان به صورت پله پله را دارند. البته خروج الکترونهای استفاده شده برای تحریک و سیستم خنک ساز کرایوژنک و پمپ های خلاء و ساز زیاد و ایزوله شدن از شوک و ویبریشن کشتی مشکلات بکار گیری این تکنولوژی در نیروی دریایی است.

ماژول‌های کرایوژنیک شتابدهنده الکترون سیستم FEL در تأسیسات ملی شتابدهنده توماس جفرسون

شرحی بر تجهیزات انرژی مستقیم: تسلیحات انرژی مستقیم برای دهه ها مورد توجه نظامیان آمریکایی بوده است.این تسلیحات پرتوهای بسیار پر قدرتی با ماموریت از کار انداختن یا نابود کردن هدف هستند. معمولا از یک پرتو هم برای هدف گیری و تمرکز روی هدف و هم برای نابود کردن آن استفاده می شود. نیروی هوایی آمریکا تحقیقات مربوط به لیزرهای شیمیایی، نیروی زمینی تحقیقات مربوط به لیزرهای نیمه هادی و نیروی دریایی تحقیقات مربوط به لیزر الکترون آزاد (FEL) را پشتیبانی مالی کرده اند. لیزر الکترون آزاد بر مبنای شتابدهنده پرتو الکترونی ساخته شده که باعث تحریک و انتشار امواج لیزر می شود. این نوع لیزر تشعشع پر قدرت، قابل تنظیم، انسجام و بسیار موازی شده ای را که در حال حاظر طول موجی در بازه امواج میکروویو تا ایکس دارد را تولید می کند. با اینکه پرتو لیزر الکترون آزاد خواص مشترکی با لیزرهای دارای پمپ تحریک شیمیایی یا نوری دارد مانند همسویی، اما کاربرد ان کاملا متفاوت است. بر خلاف لیزرهای گازی یا دیودی که بر انتقال بین باندی اتم ها وحالت مولکولها متکی هستند، FEL یک پرتو نسبیتی الکترون را به عنوان واسطه تولید لیزر استفاده می کند. امروزه FEL نیازمند شتابدهنده و حفاظت یونی-تشعشعی مربوطه و دیگر سیستمهای پشتیبان است. برای داشتن پرتو الکترونی نیازمند خلع هستیم که وجود پمپهای فراوان و مخصوص را طلب می کند. این لیزر قادر به رسیدن به پیک های انرژی خروجی بی نهایت پر قدرت بدون صدمه دیدن واسطه تحریک لیزر شده است. علت انتخاب این نوع لیزر توسط نیروی دریایی، قابل تنظیم و انتخاب بودن طول موج پرتو خروجی است که آنها را قادر می سازد تا محیط های دریایی به صورت بهینه کار بکنند. البته این قابلیت FEL که قادر است برق ورودی دریافتی به خود را مستقیم به انرژی خروجی تبدیل بکند ممکن است آن را برای پلتفرم های متحرکی مانند کشتی، جذاب بکند اما کماکان مشکلاتی وجود دارد که باید حل بشوند. برای مثال مشدد های اپتیکی با کارایی بالا و پوشش هایی که به خوبی با لیزرهای رده مگاوات می توانند کار بکنند از دو دهه پیش وجود دارند اما FEL مقدار بسیار زیادی هم تشعشعات هارمونیکی در طول موج ماوراء بنفش دارد که بسیاری از این پوشش ها را می تواند نابود بکند. فتوکاتدهایی که به عنوان منبع الکترونها استفاده می شوند بیش از 20 سال است که وجود دارند اما کارایی کوانتومی و قابلیت اطمینان آنها آنقدر نیست که برای یک لیزر عملیاتی لازم است و البته ستونهای بلندی که در این لیزرها استفاده می شود چندان با محیط دریایی هم خوانی ندارد.
در اواخر دهه 60 میلادی نیروی دریایی برای سیستم دفاع نقطه ای خود از لیزرهای گازی استفاده کرد و سپس از لیزرهای شیمیایی دوتریوم فلوراید استفاده نمود که در دهه 80 توان مگاواتی را از خود به نمایش گذاشته بودند. در آن زمان در یک تست هدف سوپر سونیک نزدیک شونده از پهلوی کشتی به خوبی رهگیری شد ولی رهگیری هدفی که از روبروی کشتی نزدیک می شد به دلیل طول موج نور خروجی لیزر شیمیایی باعث ایجاد پدیده گل حرارتی (گل حرارتی پدیده ای است که بر اثر جذب انرژی لیزر های توان بالا توسط هوا در دهانه خروجی آن، باعث تغییر ضریب شکست هوا و در نتیجه پراکنده شدن نور لیزر می شود.) بر روی کشتی و تضعیف خروجی لیزر گردید به همین دلیل نیروی دریایی این نوع لیزر را کنار گذاشت. تحقیقات روی پدیده گل حرارتی (Thermal blooming) نشان داد که تنها 3 باند باریک طیف فرکانسی نزدیک به طول موجهای 1.045 میکرومتر، 1.6 میکرومتر و 2.2 میکرو متر هستند که برای لیزرهای رده مگاوات مناسب هستند. به همین دلیل بعد از اینکه تحقیقات DARPA نشان داد که هیچ لیزر پر قدرت دیگری نمی تواند روی اهداف در فواصل بسیار دور فوکوس بکند (هزاران کیلومتر!!)، لیزر الکترون آزاد که پرتو خروجی بهینه و پیوسته داشت، طول موج آن قابل تنظیم و تماما الکتریکی بود و نیاز به مواد شیمیایی نداشت مورد توجه قرار گرفت و وظیفه ساخت لیزر 10 مگاوات به عهده LANL (آزمایشگاه ملی لس آلاموس) و SDI (مرکز ابتکار دفاعی) گذاشته شد ولی FEL ها توان خروجی پایینی در آن زمان داشتند. تلاشهای محققین این مراکز بسیاری از مشکلات فنی را بر طرف کرد اما با بسته شدن پروژه در اواخر دهه 90 (به دلیل فروپاشی شوروی.م.) بسیاری از دانش های فنی بدست آمده در SDI به دلیل مستند سازی نا کافی و پراکنده شدن محققین پروژه از دست رفت از جمله پیشرفتهایی در زمینه قطعات اپتیکی، درک معماری اپتیکی مربوطه و تجربه مهندسی صنعتی در پوشش های آتروفید (Atrophide) قدرت بالا. محققان شتابدهنده ملی تماس جفرسون وزارت انرژی امریکا (TJNAF) با پشتیبانی اداره تحقیقات دریایی نیروی دریایی ایالات متحده آمریکا اولین پرتو خروجی نور FEL را در 17 ژوئن 1998 تولید کردند. 2 سال بعد لیزری با توان بیش از 150 وات تولید شد و در 15 ژولای 1999، با تولید 1720 وات نور مادون قرمز از اهداف طراحی پیشی گرفت. در سال 2008 تحقیقات بر روی ساخت نمونه با توان تولید نور مادون قرمز 14 کیلووات در جریان بوده است و کشفیات جدید در زمینه دانش شتابدهنده ها و کاربرد حفره های حامل امواج میکروویو ابرهادی در linac (شتابدهنده خطی بازیابی انرژی) افق های جدیدی را بر روی این تکنولوژی گشوده است. در برنامه آینده هدف ساخت یک لیزر 100 کیلووات بود تا راه برای ساخت صنعتی یک لیزر در رده مگاوات برای نیروی دریایی باز بشود. برای قابل استفاده کردن FEL در محیط واقعی مراحل زیر باید انجام می شد: