Bolestné sny a temná slova | Laser - vědecko-technický projekt

Tato práce shrnuje základní informace o principu a využití laserů. Zaměřuje se na historii a položení základů samotnému Laseru. Samostatná kapitola ve využití laserů je holografie. Avšak pro mne nejskvostnějším tématem v této práci je zaměření na využití laseru a laserové techniky ve vojenství. Samotné vojenské aplikace laseru je jako vyhlídka do budoucnosti. Obsahuje širokou škálu poznatků a objevů, které musí být stále ještě zkoumány. Prakticky zaměřenou kapitolou této práce je využití Laserové optické soustavy. Z této soupravy jsem si vybrala 4 úlohy, které jsem zpracovala. Přeložila ze slovenského jazyka do českého a doplnila vlastními obrázky i fotografiemi.

Obsah

1. Úvod

2. Elektromagnetické záření

2.1 Světlo

2.1.1 Absorbce světla

3. Paprsek současnosti a budoucnosti - Laser

3.1 Historie

3.2 Rezonátor

3.3 Aktivační prostředí

3.4 Maser – starší bratr laseru

3.5 První rubínový laser

4. Holografie

5. Lidar

6. Aplikace laserů ve vojenství

6.1 Kosmické zbraně budoucnosti

6.2 Letící laser

6.2.1 Letounový laser YAL-1

7. Laboratorní práce s LOS

8. Závěr

Seznam použité literatury

Obrázková příloha

1. Úvod

Tato práce je výsledkem 3letého usilovného sbírání informací, překládání a zpracovávání do populárnější formy z pohledu studentky SPŠ technické v Brně, oboru Technického lycea.

Zprvu jsem chtěla pouze sama zjistit, co to vlastně laser je, jako takový mě velice zaujal, proto jsem se rozhodla, že si dále rozšířím obzor těchto informací. Odhodlala jsem se a začala tyto informace shromažďovat. Navštívila jsem Ústav přístrojové techniky AV ČR v Brně. Požádala jsem Ing. Josefa Lazara, který mi byl ochoten poskytnout populární informace v podobě časopisů vycházející v anglickém jazyce a naznačil mi tu správnou cestu v řešení mého pátrání. Tímto jsem se posunula o velký kus dopředu a začala jsem naplno shlukovat potřebná data.

Další příčinou tohoto rozhodnutí byla i soutěž zadána Amavetem a SOŠ, které jsem se zúčastnila ve 2. ročníku. Začala jsem data zpracovávat.

Nejprve měla tato práce obsahovat mnoho informací o laserech, avšak podle mého mínění bylo vhodné, zaměřit se pouze na jeden směr. Tudíž tato práce obsahuje jistá fakta od historie až po první lasery. Druhá část je zaměřena na vojenskou techniku, která je pro mě nejzajímavější.

I když musím říci, že tato práce je jen malý zlomek mnou získaných zajímavých informací, zmíním alespoň posunutí mé osoby o kus dopředu a nabytí interesantními vědomostmi.

Nyní můžu ukázat úplnou verzi mé činnosti a do budoucna věřit v rozšíření práce.

2. Elektromagnetické záření

Předtím, než se budu snažit vysvětlit pojem laser, bude vhodné, uvést některá základní fakta o elektromagnetickém záření a poté pro dokonalé pochopení laseru i o světle.

Elektromagnetické záření je kombinace příčného postupného vlnění magnetického a elektrického pole, tedy elektromagnetického pole. Elektromagnetickým zářením se zabývá obor fyziky nazývaný elektrodynamika, což je podobor elektromagnetismu. Infračerveným zářením, viditelným světlem a ultrafialovým zářením se zabývá optika.

Na elektromagnetické záření se stejně jako na cokoliv jiného dá nahlížet jako na vlnu nebo proud částic. Jako vlnu je charakterizuje rychlost šíření (rovná rychlosti světla ve vakuu), vlnová délka a frekvence. Částicí elektromagnetického vlnění je foton.

ü Energie fotonu:

E = h f,

kde h = 6,626 · 10⁻³⁴ J·s = 4,14 · 10⁻¹⁵ eV; h je Planckova konstanta, f je frekvence.

Elektromagnetické pole může ve vodiči indukovat proud a naopak, toho se využívá v anténách. Elektromagnetické vlnění mohou pohlcovat molekuly, přijatá energie se bude přeměňovat na teplo. Toho se využívá v mikrovlnné troubě.

Vlastním přenašečem elektrické energie je právě elektromagnetické pole jako takové (nikoliv tedy ani napětí ani proud, což jsou pouze vnější projevy tohoto pole).

2.1 Světlo

Světlo je po celém světě, je jím zaplněn; včetně slunečního záření. Tmu máme spjatou se smrtí, strachem a zánikem. Nevědomost je pro nás prázdnota plná tmy. A proto je pro nás světlo symbolem zrození, poznání a optimismu.

„Budiž světlo“ neboli latinsky „Fiat Lux".

Záření světla je pro nás zdrojem veškeré energie, krom malých výjimek, kterými se ale v této práci zabývat nebudu.

ü Světlo:

• druh energie

• druh elektromagnetického záření o vlnové délce 400–750 nm

• rychlost světla je asi 300 000 km/s

• skládá se z částic - fotonů

• světlo může mít různé vlnové délky, podle toho ho potom dělíme na:

˗ ultrafialové

˗ infračervené

˗ viditelné

Obr. 2.1 – RGB Spektrum

• v 17. století se podařilo Isaacu Newtonovi rozložit bílé světlo hranolem na spektrum barev a ukázat, že se bílé světlo skládá z mnoha barev.

• zdroje světla:

ü sálání tepla (záření černého tělesa)

˗ záření žárovky

˗ sluneční světlo

ü záření plazmatu (oheň, oblouková lampa)

ü atomová spektrální emise (emise mohou být stimulované nebo spontánní)

˗ laser a maser (stimulovaná emise)

˗ světlo LED diody

˗ plynové výbojky

ü urychlení volného nosiče proudu (obvykle elektron, využívá se např. v synchrotronech)

ü luminiscence, podle spouštěcího mechanismu:

˗ chemiluminiscence

˗ bioluminiscence

˗ onoluminiscence

˗ triboluminiscence

ü fluorescence

ü fosforence

˗ katodové záření

ü radioaktivní rozpad

ü anihilace páru částice-antičástice

2.1.1 Absorpce světla

Světlo (nebo záření obecně) je v širším smyslu pohlcení zeslabeného záření, při jeho šíření se určitým prostředím, vyvolané například rozptylem záření. Odborněji je to fyzikální proces, při kterém je energie fotonu (světelného kvanta) pohlcena látkou, například atomem, jehož valenční elektrony přecházejí mezi dvěma úrovněmi energie.

Pohlcená energie může být opět vyzářena nebo může být přeměněna na kinetickou energii částic (tepelnou energii) a po zachycení uvolněného elektronu jiným atomem se energie přemění na záření, obyčejně jiné vlnové délky (tzv. emise záření). Míru absorpce vyjadřuje absorpční koeficient.

Volné atomy v plynném stavu jsou podle Kirchhoffova zákona (kromě Kirchhoffových zákonů pro elektrické obvody existuje také Kirchhoffův zákon tepelného vyzařování a další empirické Kirchhoffovy zákony popisující vyzařovací spektra) schopné absorbovat záření stejných vlnových délek, které samy vyzařují.

Výsledkem absorpce jsou například Fraunhoferovy čáry ve slunečním spektru, které vznikají absorpcí záření určitých vlnových délek ze spojitého záření Slunce volnými atomy v chladnějším plynovém obalu Slunce.

3. Paprsek současnosti a budoucnosti – Laser

3.1 Historie

Laser je dítětem 60. let minulého století. Je to dokonale ovladatelný zdroj světla, který pracuje na principu indukované emise. Indukovaná emise tj. vynucené záření. Laser je schopný vysílat paprsek ostrý jako světelná jehla, nebo může chrlit proudy energie jako mohutný světelný hydrant, dále je tento nepatrný a zprvu neškodný paprsek světla schopen vyvolat oslepující záblesk o výkonu téměř milionu wattů. Může tiše a spolehlivě přenášet vysílání několika tisíc televizních kanálů a miliony telefonních hovorů.

V roce 1916 tvůrce teorie relativity Albert Einstein upozornil na dosud neznámý způsob vyzařování světla a stal se tak dědečkem laseru.

Einsteinův princip indukované emise (neboli v nuceného záření) znamená, že jednotlivé částečky světla se mohou vzájemně popohánět „držet spolu krok“, vzniklý paprsek je koherentní (soudržný), uspořádaný a je soustředěn do jednoho směru, v případě vzájemného pohánění můžeme docílit, aby se v krátkém časovém okamžiku vyzářilo obrovské množství světelné energie.

Objev laseru je možné zařadit, a to nebudeme velmi přehánět, mezi fyzikální události prvořadé důležitosti. Laser můžeme přiřadit k objevům závažnosti, jako jsou například: parní stroj, elektrický proud, štěpení atomových jader, raketová technika, polovodiče a několik dalších … Typické pro tyto objevy je dlouhodobé ovlivnění široké fronty nejrůznějších vědeckých odvětví rozvoje techniky a některé dokonce zasahují do našeho každodenního života.

Světlo z laseru je vyzařováno polarizovaně (složka elektrické intenzity energie kmitá stále v jedné rovině, polarizovat lze různými způsoby: odraz, lom, dvojlom, případně polarizační filtr), koherentní (souvislý, spojitý) a monochromatické (monofrekvenční - světlo má určitou konstantní frekvenci, tedy i vlnovou délku).

Laser jako takový se skládá ze zdroje energie, rezonátoru a aktivního prostředí.

Slovo laser [lejzr] pochází z angličtiny. Je složené z počátečních písmen dlouhého anglického názvu popisujícího jeho funkci: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, což by se dalo přeložit jako zesílení světla pomocí vynucené (stimulované) emise záření.

Zdroj energie dodává do aktivního prostředí energii, která „vybudí“ elektrony ze základní energetické hladiny do vyšší energetické hladiny. Tento jev nazýváme excitace. Tento jev se projeví takřka u všech elektronů a vzniká tzv. inverze populace (stav, kdy jsou energetické hladiny obsazené částicemi tak, že to neodpovídá rovnovážnému rozdělení).

Poté, co elektrony přestupují zpět do nižší energetické hladiny, dochází k vyzáření kvanta energie ve formě fotonů.

Pokud laser umístíme do rezonátoru, tvořeného například zrcadly, paprsek fotonů se odrazí a opětovně projde prostředím.

To podporuje stimulovanou emisi a tok fotonů se zesiluje. Výsledný světelný paprsek opouští tělo laseru průchodem skrz polopropustné zrcadlo.

3.2 Rezonátor

Rezonanční obvod, zpětný obvod - nepatří zcela do oboru zabývající se optikou, ale do oboru radiotechniky.

I to je důvod, proč laser nemůže být pouze výplodem optiky ale je dítětem odborníků v oblasti vysokofrekvenční radiotechniky a radioskopie (prosvěcování těla rentgenovými paprsky).

K přenosu zpráv používáme radiové vlny dlouhé, střední a krátké, jejichž vlnové délky překrývají oblast od několika desítek metrů do několika kilometrů. Základním prvkem generátoru těchto vln je oscilační obvod skládající se z cívky a kondenzátoru. Pokud chceme obvod vyladit na určitý kmitočet, provedeme to změnou kapacity kondenzátoru, nebo změnou indukčnosti (počtu závitů) cívky. V oscilačním obvodu protéká rychle oscilující střídavý elektrický proud, který vytváří na deskách kondenzátoru střídavé elektrické pole a v závitech cívky střídavé magnetické pole. Připojíme-li k obvodu anténu, začnou se elektromagnetické vlny rozbíhat do prostoru podobně jako vlny na vodní hladině.

3.3 Aktivační prostředí

Při konstrukci laseru je třeba aktivní prostředí. S různými podobami aktivního prostředí se lidstvo setkává po celá staletí. Zářivý třpyt drahokamů pod dopadajícími slunečními paprsky, lampičky světlušek, světélkování lesních pařezů a bahenních plynů, svítící ornamenty mořských hlavonožců a hlubinných ryb, to vše jsou různé druhy studeného světla vzniklé v energeticky obohaceném prostředí s inverzí populací hladin.

Pod pojmem luminiscence zahrnujeme všechny tyto a mnohé další přírodní jevy. Ke vzniku luminiscence je potřeba dodat látce energii v libovolné podobě, kromě energie tepelné. Podle druhu energie, která se přeměňuje na studené světlo, rozlišujeme několik druhů luminiscence: elektroluminiscenci, katodoluminiscenci, radioluminiscenci, sonoluminiscenci, triboluminiscenci (světlo, které vzniká při drcení některých krystalů), chemiluminiscenci a bioluminiscenci.

Dlouhodobé světélkování se nazývá fosforescence, zatímco krátkodobé, trvající pouze nepatrný zlomek vteřiny, se nazývá fluorescence. Nejen zahřátá tělesa mohou svítit, nýbrž i tělesa chladná, mají-li ovšem k dispozici vhodný zdroj energie. Toto studené světlo je dokonce mnohem hospodárnější, protože je zde energie mnohem lépe využita, a tím dává také mnohem více možností k praktickému využití.

Jedním ze základních přírodních zákonů je zákon o zachování a přeměnách energie. Známe mnoho různých druhů energie, které mohou přecházet jedna v druhou tak, že celkové množství energie v každém izolovaném systému zůstává neměnné.

Všechny druhy energie, které lze použít k vyvolání luminiscence, můžeme použít také při konstrukci laseru. V dnešní době tedy známe lasery buzené světlem, elektrickým proudem, svazkem elektronů, chemické lasery a další. Každý z těchto druhů laserů má své přednosti i nevýhody a používá se v různých oblastech lidské činnosti. Při přeměně jednoho druhu energie v druhý je také důležitá účinnost této přeměny. V žárovce se mění jen necelá 3 % elektrické energie ve světlo. U zářivek je to už něco kolem 10-15 %. Zato světluška dokáže přeměnit svou biochemickou energii na světlo téměř na 100 %. V tomto ohledu překonává příroda vše, co se zatím podařilo člověku dosáhnout.

ü Aktivační prostředí může být:

• plyn

• monokrystal

• polovodič s PN přechodem (diodové lasery)

• organická barviva

• volné elektrony

3.4 Maser - starší bratr laseru

• standarta kmitočtu a času

• bezšumný zesilovač

• citlivý přístroj schopný přijímat mikrovlnné signály ze vzdálených oblastní vesmíru, může měřit teplotu povrchu planet podle jejich vlastního vyzařování - kosmické uplatnění

• citlivý - reaguje na rádiové záření vycházející ze zemského povrchu

• první masery se také uplatnili v kosmu

• ČSR - vědecké měření - přesné

• první čpavkový maser byl uveden do provozu 15. 2. 1962 kolektivem pracovníků Vojenské Akademie Antonína Zápotockého v Brně - naše země tímto datem vstoupila jako desátá na světě do věku kvantové radiotechniky

• stabilita kmitočtu maseru - použití molekul čpavku s těžším izotopem dusíku

V roce 1960 - realizace jiného druhu maseru, který místo molekul čpavku využívá svazku letících atomů vodíku. Odlišnost konstrukce - místo čtyřpólového elektrického kondenzátoru se k separaci atomů používá nehomogenního magnetického pole a dále se vnitřní částí rezonátoru je umístěna baňka kulovitého tvaru, do níž svazek vytříděných atomů vstupuje. Rezonátor tedy není průletový jako u čpavkového generátoru. Vodíkové atomy se od stěn baňky po delší době začnou odrážet (až jedna vteřina), aniž by vyzářily svoji energii. To vede k dalšímu zvýšení přesnosti kmitočtu a zúžení šířky pásma. Vodíkový maser představuje přesnější hodiny než čpavkový. Pracují na vlnové délce 21 cm. V řadě těchto maserů, kromě vodíkového a čpavkového, sídlí další krystalové, které jsou založeny na principu elektronové paramagnetické rezonance. Pokud vložíme do magnetického pole některé látky, pohltí elektromagnetické vlny o určitém přesně stanoveném kmitočtu. Tento kmitočet závisí na velikosti magnetického pole a je možno jej tedy změnou tohoto pole měnit, to vše zjistil sovětský fyzik E. K. Zavojskij v roce 1944, ale ještě před tímto fyzikem tento jev předpověděl J. Dorfmann v roce 1923.

Ale i přesto je tu jeden nedostatek - generátor může pracovat pouze v impulzním režimu. U dvouhladinového systému jsou okamžiky vyzáření energie a zásobování novou energií od sebe odděleny a generátor nemůže pracovat plynule. To přivedlo vědce na myšlenku použití tříhladinového či vícehladinového systému.

V roce 1957 vznikly první čpavkové, kvantové hodiny.

U tříhladinového maseru se jako aktivního prostředí používá rubín, či speciální krystal (např. ethylsulfát lanthanitý s příměsí gadolinia). Krystalový maser nevyžaduje prostředí vysokého vakua jako maser se svazkem molekul či atomů, a tím lze vypustit složitou vakuovou aparaturu.

Ve volném prostoru a ve vakuu se elektromagnetická vlna šíří jako světlo, téměř absolutní rychlostí přibližně 300 000 km/s. Zatím je to nejrychlejší šíření signálu a žádná částice nebo těleso nemůže této rychlosti dosáhnout, alespoň to tvrdí Einsteinova teorie relativity.

Masery jsou rádiové generátory a zesilovače kosmického věku.

Obr. 3.1 – Maser

3.5 První rubínový laser

• poznatky těchto objevů rubínového laseru rozhoupalo mnoho vědců k dalšímu výzkumu laseru

• odborníci se nestačili divit, laici žasnout - veřejnosti se výsledky nepředstavovaly

• oživena éra vynálezců „paprsků smrti“

• první poznatky a názory byly na uplatnění: k ničení nebude použito; uplatnění hlavně v chirurgii; široké pole působení

• dnes se používá např. při odstraňování tetování, či výzkumu holografie

• sestrojit první funkční laser - rubínový laser s červeným světlem - se podařilo v roce 1960 T. H. Maimanovi, fyzikovi z Kalifornie v USA („první laserový paprsek, který vyšlehl s krystalu“)

• rubínový laser – aktivním prostředím je krystal generující záření o vlnové délce 0,6943 μm; pracuje většinou v pulzním režimu; vhodný pro vrtání tvrdých materiálů, v lékařství v dermatologii a v laserové lokaci družic; nyní se nahrazuje především Nd: YAG laserem (je v dnešní době nejpoužívanější typ pevnolátkového laseru. Aktivním materiálem je izotropní krystal Yttrium Aluminium Granátu (Y₃Al₅O₁₂) dopovaný ionty neodymu (Nd³⁺).

Obr. 3.2 – Absorpce Nd: YAG krystalu

Vyzařovaná vlnová délka z emisního spektra laserové diody závisí na teplotě diody a na proudu diodou protékajícím. Tím lze se změnou teploty při stálém proudu postupně měnit vlnovou délku dopadající na krystal. V závislosti na nalezení různých absorpčních maxim (transmitivních minim) lze usoudit, která vlnová délka odpovídá konkrétnímu maximu a při jaké teplotě je vyzařována. Jedno z těchto maxim je výraznější a to v důsledku vyšší účinnosti čerpání absorpčního přechodu u Nd: YAG krystalu. Znalost právě hodnoty absorpčního maxima resp. trasmitivního minima nám dovoluje zajistit měření charakteristik laserové diody při zachování konstantní vlnové délky záření emitovaného diodou.

4. Holografie

Nejdůležitějším prostředkem poznání vnějšího světla je vidění. Vidění umožňuje smyslový orgán, jehož úkolem je přenést fyzický obraz předmětu k prvkům citlivým na světlo, tímto jsou přímo spojeny s centrem obrazové informace. Abychom mohli přenést obraz, je potřeba mít světlo. Světlo vyzařují různé světelné zdroje. Oko jako smyslový orgán vidění.

ü Princip holografie:

Světelné vlny vyzařované laserem L se opticky (např. čočkovým objektivem Č) rozdělí na dva svazky. Jeden se nechá dopadat na zobrazovaný objekt P tak, aby odražené vlny dopadaly na fotografickou desku F, a současně na ni dopadá také druhý, tzv. referenční (srovnávací) svazek laserových světelných vln.

Obr. 4.1 – Princip laseru

ü Rekonstrukce hologramu:

Pro správné zobrazení zaznamenaného předmětu je nutné hologram osvětlit koherentním svazkem paprsků (rekonstrukční svazek) vyzařovaným obvykle laserem pod stejným úhlem, pod jakým dopadal během snímání referenční svazek. Díky difrakci rekonstrukčního svazku se vytvoří světelné pole (rekonstruovaný svazek) odpovídající trojrozměrnému obrazu předmětu, který je v hologramu zaznamenán. Jednoduše řečeno, hologramem projdou jen paprsky odpovídající paprskům odraženým od zaznamenaného předmětu. Výsledkem je zdánlivý prostorový obraz.

Holografie byla objevena roku 1948 britským učencem Dennisem Gaborem (1900 - 1979, Nobelova cena v roce 1971).

Hologram = záznam předmětu v citlivé vrstvě fotografického filmu; nese informaci nejen o intenzitě (tak jako klasická fotografie, která je přímočarým záznamem světla odraženého a rozptýleného daným objektem), ale také o fázi světla odraženého od zaznamenávaného předmětu; zachycuje navíc i způsob, jakým se světlo na povrchu objektu rozptyluje. Na základě toho lze určit prostorové rozložení jednotlivých bodů pozorovaného objektu.

Citlivost materiálů pro zachycení hologramu musí být vysoká: více jak 5000 čar na milimetr délky. Tato jemná struktura vyžaduje naprostý klid při záznamu, pohyb zaznamenávaného obrazce vzhledem k citlivé vrstvě nesmí překročit zlomky tisícin milimetru.

5. Lidar

• (light detection and ranging) možno říci, že LIDAR jsou optické technologie dálkového průzkumu

• vlastnosti rozptýleného světla napomáhají k hledání rozsahu vzdáleného cíle

• převládá metoda laserových impulsů k určení vzdáleného objektu

• podobá se radarovým technologiím, které využívají radarové vlny namísto světla; rozsah objektů se stanoví pomocí časových prodlev mezi přenosem z impulsů a detekce odraženého signálu

• uplatnění v archeologii, geografii, geomorfologii, seismologii, dálkovém průmyslu a fyziky atmosféry

• akronym LADAR (Laser Detection And Ranging) obvykle používán ve vojenských a armádních odvětví

• laserový radar je zavádějící, protože se požívá laserové světlo a ne radiové vlny na základě konvenčního radaru

ü Obecný popis:

• primární rozdíl mezi radarem a lidarem - lidar používá mnohem kratší vlnové délky z elektromagnetického spektra, obvykle ultrafialové, viditelné a podobné infračervenému

• lidar je velmi citlivý na aerosolech

• mnoho aplikací v atmosférickém výzkumu v meteorologii

• objekt potřebuje dielektrické nespojitosti, aby odrazil vysílání vln

• radarové (mikrovlnné či rádia) frekvence produkuje kovový objekt významné reflexe

• déšť a horniny produkující slabší odrazy (některé materiály mohou produkovat žádné zjistitelné reflexe – platí zejména pro malé objekty – molekuly a aerosoly)

Laser poskytuje jedno řešení problémů. Nosník hustot a koherence jsou vynikající. Na vlnových délkách jsou mnohem menší, než můžeme dosáhnout radiových systémů (10 mikrometrů na UV – cca 250 nm). Tyto vlnové délky se velmi dobře odrazí od malých objektů. Tento typ úvah nese název „backscattering“. U různých Lidar aplikací se používají různé druhy rozptylu, nejčastěji to jsou Rayleigho rozptyl, Mie rozptyl a Ramanův rozptyl, stejně jako fluorescence (druh luminiscence, u níž dochází k emisi světla jen po dobu, kdy je buzena; světélkování).

Laser má obvykle úzký paprsek, který umožňuje mapování fyzikálních vlastností s vyšším rozlišením než radar.

Díky přítomnosti mnoha chemických sloučenin interagujících v oblasti viditelných vlnových délek, ne pouze mikrovln, což má za následek silnější obraz. Vzdálené mapování atmosférických objektů se děje za pomoci vhodných kombinací laserů, hledáním vlnové změny v intenzitě vráceného signálu.

ü Aplikace:

˗ Měření znečištění ovzduší

˗ Zobrazování a mapování

˗ Chirurgie oka

˗ Katastrální mapování

˗ Mapování

˗ Vozidlové rychlostní měření

Systémy GPS byly nasazené do roku 1980 na určování polohy letadel. GPS technologie se ve vzdušném průzkumu staly možné a velmi praktické.

Mnohé Lidar aplikace byly namontovány do letadel a satelitů. Posledním příkladem je NASA experiment „Advanced Research Lidar“.

Obr. 5.1 – Detekce Lidarem

6. Aplikace laserů ve vojenství

Proč laser ne jako výzbroj?

• úzká energická účinnost → náročná dodávka energie

• odlišnost vlnových délek

• nepřesnost úsečky (zbraň – cíl)

• délka trvání pulsu – v‎ýkon

Armády většiny vyspělých zemí se už poměrně dlouho zabývají různými programy „vojáků budoucnosti“, tj. kompletů výzbroje a výstroje pro perspektivní pěšáky pozemních jednotek. K nejznámějším bezesporu patří trojice amerických „válečníků“, kterou představily laboratoře americké armády v roce 2001. Tyto zajímavé studie obdržely jména Land Warrior, Objective Force Warrior a Future Warrior.

Obr. 6.1 – Schéma laseru (princip)

Mnohé předpovědi se mohou zdát opravdu velice konzervativní, ale zcela odpovídají současné úrovni technologií. Skutečnost je taková, že ani v horizontu dvaceti let nemůžeme očekávat masové zařazení zbraní na různých „futuristických“ principech do výzbroje. Důvodů je hned několik, ale tím hlavním je problém s dodávkou energie.

Obr. 6.2 – Sestřelení letadel laserovými zbraněmi

6.1 Kosmické zbraně budoucnosti

„Nadporučíku Worfe, energie do laserů a zapnout štíty! Zamiřte! PAL!“

Tato věta, jako by vystihovala „Star Trek“, kdo by tento seriál o dobrodružství ve vesmíru neznal?!

Možná si řeknete, že „Zase začínají balamutit lidi a vyprávět tu pohádky!“.

Ale já vám odpovím jednoduše a věcně: „Tohle opravdu lze, a americká armáda je tomu příkladem.“

Obr. 6.3 – Voják s laserovou zbraní

Podle Army News Service jsou technologie spojené s laserovými technologiemi ve vesmírných lodích pro nás velmi blízkou budoucností.

Pro obyčejné smrtelníky a laickou veřejnost je tohle téma nepředstavitelné. Ale jak tvrdí sám odborník a inženýr na základně podzemních sil v Dearbornu (Michigan, USA), Gus Khalil, nebudou tyto vesmírné „pohádky“ použity několik následujících let. Ovšem armáda má již přesnou a konkrétní představu o tom, jak tato „vesmírná loď“ bude vypadat.

A jak sám Khalil řekl: „Máme daleko větší požadavky na FCS (bojové prostředky budoucnosti) než jsou dnes. Cokoliv dnes uděláme, nakonec dále sníží bojeschopnost našich vojáků.“

FCS Technologie jsou vytvářeny pro velmi širokou sféru uplatnění ve vojenství, a ne jen na naší planetě, ale také v celé galaxii a vesmíru.

Armáda již plánuje a v dnešní době vyvíjí výsadkové moduly s lidskou posádkou, bezpilotní lodě, pozemní a vzdušné dopravní prostředky. Navrhovaná doba objevu se stanoví po roce 2010.

Technologie FCS, které se vyvíjí jako pozemní vozidla, která by neměla přesáhnout 20 tun, měla by být rychlá, mobilní, ovšem smrtící jako americké tanky M-1A2 Abras nebo vozidla bojová M2 Bradley, měla by zvládnout vše, co nákladní vozidlo Toyota a spolu s tím by měly mít vlastnosti náklaďáků, ovšem nejsou to jen pouhé vtípky jednoho inženýra na poradě FCS v Dearbornu?!

Již 6. až 8. října 2003 na výroční schůzi americké armády ve Washingtonu předvedl Khalil atrapu laserové zbraně blížící se realitě.

Program na výrobu moderních zbraní využitelných ve vesmíru je zařazen v programu Vombat Hybryd Power Systém, jenž byl zahájen již několik let zpět. Již v roce 2003 program zabíral vývoj pulzních zbraní v rámci FCS. Elektromagneticko-chemické zbraně či laserové, schopné zničit nepřátelské jednotky (např. dělostřelectvo, obrněné tanky), se již velmi dlouho vyvíjí.

ü Funkčnost TARDEC:

Jeden konec zbraně obsahuje balík třech lithio - iontových modulů baterií; projektil po výstřelu absolvuje cestu přes konvektor, který zvýší napětí ze 100 V na 1 000 V; dále přes síť pulzních vodičů (sada kondenzátoru a induktoru), jenž mění 1 000 V v „pulzní paprsek“, který udržuje svoji životnost méně než jednu miliontinu sekundy; odtud putuje puls elektřiny výstupním měničem, jenž tento paprsek vystřelí k zaměřenému cíli (tento výstřel jsme schopni pozorovat skrz sestavu čtyř snímačů impulsů světla, samotný paprsek je nebezpečný pro sítnici našeho oka, kterou by mohl poškodit).

Pokud jde o to, jaká baterie tento systém bude zásobovat a jak dlouho by měly baterie při palbě životnost, Khalil odpověděl: „Přesná čísla zatím nelze určit. Životnost modulu závisí také na tom, kterak je využíván obsluhou. Pokud by byla používána jako pohonná jednota současná baterie, mohla by vydržet až 15. let.

Jestliže se však použije v laserové zbrani na tvorbu střely, tak nemá příliš velikou životnost.“

V roce 2003 měli vývojáři za úkol vyvinout baterii, která by byla schopná vystřelit až 50x, avšak do této doby je baterie schopna laserovou zbraň zásobit pouze na 20 výstřelů.

Když si představíme dnešní střely SABOT (protitankové náboje), tak se blížíme k představě pulsních zbraní. Ovšem podle systému FCS budou mít zbraně větší průraznost než všechny dnešní zbraňové systémy. A pokud jde o FCS systém, tak bychom mohli říci, že na bojišti vypadá podobně jak protitankový náboj, který generuje záblesk světla, ale světe div se, výsledek bude stejný.

6.2 Letící Laser

ABL zbraňový systém se skládá z vysoce energetického jodidového laseru (COIL) instalovaného na modifikovaný Boeing 747 (typ 400F), je používán k sestřelení balistické střely. ABL má za úkol sledovat střely ve fází letu.

Funkční požadavky na laserové zbraně jsou založeny na operačních scénářích a podporu požadavkům definovaných uživatelem. Mezi klíčové otázky na program bude efektivní rozsah laserového systému a integrace letadel Boeing 747.

Obr. 6.4 – Boeing 747-400F

Boeing a US Air Force pokračuje ve svých modifikacích 747-400F, který je určen k sestřelení raket, v letu na cíle.

V ABL letadla je upravený Boeing 747-400F, jehož zadní polovina má vysoký energický laser. Navržen a postaven firmou Northrop Grumman Corporation. V přední části letadla obsahuje nosič kontrolu (řízení palby systému, který byl vypracován v Lockheed).

6.2.1 Letounový laser YAL-1

K „největším hádankám“ současnosti patří protiraketová obrana a balistické rakety. Řada špičkových odborníků si láme hlavy nad rozluštěním této hádanky.

Raketa je schopna nést několik vícenásobných manévrujících bojových hlavic, které se mohou od ní oddělit již v postartové fázi, tj. 4 až 8 minut po odpálení. Každá z těchto subhlavic, učená k ničení konkrétního cíle, je vybavena vlastním naváděcím systémem a malým motorem. Pokud jde o dráhy, jsou odlišné a zejména při hromadném raketovém úderu by systém protiraketové obrany mohl být doslova zahlcen.

Obr. 6.5 – Letounový laser YAL-1

Jedná se o paprskové, zejména laserové zbraně, kombinované s účinnými senzory – infračervenými průzkumnými prostředky. Uvažuje se o jejich umístění v kosmu, ve vzduchu, na moři a na zemi.

Obr. 6.6 – Schéma činnosti letounového laseru YAL-1

Laser je díky své přesnosti a účinnosti na velké vzdálenosti doposud považován za nejúčinnější a nejspolehlivější protiraketovou zbraň.

ü Funkčnost systému:

Základem dokonalého senzoru je osvědčené infračervené zařízení IRST (Infrared Search and Track- metoda pro detekci a sledování objektů) bojového letounu F-14. Současný systém WASS (Wide Area Surveillance Systém), který využívá šest zařízení IRST firmy Lockheed Martin, zjišťuje detekci a přesné zaměření polohy cizí rakety na obrovské vzdálenosti pro účely směrování paprsku laseru.

7. Laboratorní práce s LOS

Do této práce jsem zařadila laboratorní soupravu LOS (Laserová optická souprava), se kterou studenti mohou pracovat v hodinách fyziky. Tato souprava obsahuje několik typů úloh. Mým úkolem bylo vybrat si některé z nich, jelikož jsou psány jazykem slovenským, přepsat je do českého jazyka a doplnit vlastními obrázky a fotografiemi. Tyto úlohy se mohou použít jako pomůcka při výuce Optiky jako vhodný materiál, protože málo studentů v dnešní době rozumí slovenskému jazyku.

8. Závěr

Tato práce byla pro mě jistou výzvou a bránou do dalšího světa plného poznání. Většina věcí či poznatků již byla uvedena v úvodu, což mi komplikuje psaní závěru mé práce, avšak ještě jednou uvedu to nejpodstatnější.

O minulém století a historii laseru již zřejmě není nutné diskutovat či nikterak rozmýšlet. Ta je do značné části dána, ale budoucnost, ta je stále do hojné části otevřenou a rozepsanou knihou. Tak je tomu i v technice, obzvlášť té moderní. V rámci rozvoje svých praktických i teoretických vědomostí se těším na pokračování v práci na tomto projektu.