Kommunikation mit hoher Bandbreite mit dem Mars

Es wäre der Traum einer Planetenwissenschaftlerin, in Echtzeit durch die Augen eines entfernten Rovers zu blicken und sich in einer fremden Landschaft umzusehen, als wäre sie tatsächlich auf der Oberfläche des Planeten, aber aktuelle Funksender können das nicht Behandeln Sie die Bandbreite, die für einen Video-Feed über mehrere Millionen Meilen erforderlich ist. Neue Technologien, die kürzlich von Wissenschaftlern der Universität von Rochester patentiert wurden, können jedoch Anwendungen wie einen Mars-Video-Feed ermöglichen, bei dem Laser anstelle von Funktechnologie verwendet werden. Spezielle Gitter im Glas eines Faserlasers eliminieren praktisch die schädliche Streuung, die Haupthürde bei der Suche nach leistungsstarken Faserlasern.

"Wir verwenden Laser in allen Bereichen, von der Telekommunikation bis hin zu fortschrittlichen Waffen. Wenn wir jedoch einen leistungsstarken Laser benötigen, mussten wir auf alte, ineffiziente Methoden zurückgreifen." sagt Govind Agrawal, Professor für Optik an der Universität von Rochester. "Wir haben jetzt einen unglaublich einfachen Weg gezeigt, um Hochleistungsfaserlaser herzustellen, die ein enormes Potenzial haben."

Durch die Beseitigung einer der Hauptbeschränkungen von Faserlasern und Faserverstärkern hat Agrawal es ihnen ermöglicht, traditionell leistungsstärkere, aber weniger effiziente und qualitativ schlechtere herkömmliche Laser zu ersetzen. Gegenwärtig verwenden Industrien Kohlendioxid- und diodengepumpte Festkörperkristalllaser zum Schweißen oder Schneiden von Metall und zum Bearbeiten winziger Teile. Diese Lasertypen sind jedoch sperrig und schwer zu kühlen. Im Gegensatz dazu sind die neuesten Alternativen, Faserlaser, effizient, leicht zu kühlen, kompakter und präziser. Das Problem bei Faserlasern besteht jedoch darin, dass die Faser selbst mit zunehmender Leistung ein Spiel erzeugt, das den Laser effektiv abschaltet.

Agrawal arbeitete an einem Weg, um das Spiel zu beseitigen, das durch einen Zustand verursacht wird, der als stimulierte Brillouin-Streuung bezeichnet wird. Wenn Licht mit ausreichend hoher Leistung eine Faser hinunter wandert, ändert das Licht selbst die Zusammensetzung der Faser. Die Lichtwellen bewirken, dass Bereiche der Glasfaser immer weniger dicht werden, ähnlich wie eine reisende Raupe sich zusammenzieht und ihren Körper ausdehnt, während sie sich bewegt. Wenn das Laserlicht von einem Bereich hoher Dichte zu einem Bereich niedriger Dichte gelangt, wird es auf die gleiche Weise gebeugt, wie sich das Bild eines Strohhalms biegt, wenn es in einem Glas zwischen Luft und Wasser verläuft. Wenn die Leistung des Lasers zunimmt, nimmt die Beugung zu, bis ein Großteil des Laserlichts rückwärts zum Laser selbst reflektiert wird, anstatt die Faser richtig herunterzufahren.

In einer Diskussion mit Hojoon Lee, einem Gastprofessor aus Korea, fragte sich Agrawal, ob in die Faser geätzte Gitter helfen könnten, das Reflexionsproblem zu stoppen. Die Gitter können so gestaltet werden, dass sie als eine Art Zwei-Wege-Spiegel fungieren, der fast genauso funktioniert wie das ursprüngliche Problem und nur Licht nach vorne anstatt nach hinten reflektiert. Mit dem neuen, einfachen Design feuert das Laserlicht die Faser durch die Gitter ab, und ein Teil davon erzeugt wieder die Dichteänderungen, die einen Teil des Lichts rückwärts reflektieren – aber diesmal reflektiert die Reihe von Gittern diese Rückreflexion einfach wieder vorwärts. Das Nettoergebnis ist, dass der Faserlaser höhere Leistungen als je zuvor liefern kann, was mit herkömmlichen Lasern konkurriert und Anwendungen ermöglicht, die herkömmliche Laser nicht ausführen können, wie beispielsweise die Laserkommunikation mit hoher Bandbreite mit einem mehrere Millionen Meilen entfernten Planetenrover.

Wenn sich ein Laserstrahl zwischen Planeten bewegt, breitet er sich aus und wird so stark gebeugt, dass seine Breite zu dem Zeitpunkt, zu dem ein Strahl vom Mars uns erreicht, größer als 500 Meilen ist, was es unglaublich schwierig macht, die auf dem Strahl codierten Informationen zu extrahieren. Ein Faserlaser mit seiner Fähigkeit, mehr Leistung zu liefern, würde helfen, indem er Empfangsstationen ein intensiveres Signal zum Arbeiten gibt. Darüber hinaus arbeitet Agrawal jetzt mit der NASA zusammen, um ein Laserkommunikationssystem zu entwickeln, das sich zunächst weniger ausbreiten würde. "Wir hoffen, dass wir anstelle eines Strahls, der sich über 500 Meilen ausbreitet, vielleicht einen bekommen können, der sich nur etwa eine Meile ausbreitet." sagt Agrawal. Diese Konzentration der Laserleistung würde es uns viel einfacher machen, Signale mit hoher Bandbreite von einem entfernten Rover zu empfangen.

Viele Menschen verwenden Faserlaser, um herkömmliche Laser zu ersetzen, vom Militär bis zum Omega-Laser der Universität von Rochester im Labor für Laser-Energetik (LLE), dem leistungsstärksten Ultraviolettlaser der Welt. Agrawal wird mit Wissenschaftlern von LLE zusammenarbeiten, um möglicherweise das neue Gittersystem in das neue Faserlasersystem des Omega zu implementieren.

Originalquelle: Pressemitteilung der University of Rochester

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