לייזרים שאובי-שמש

לייזר שאוב-שמש הוא לייזר שבו התווך הפעיל נשאב על ידי קרינת שמש מרוכזת. השאיבה על ידי שמש חוסכת את השימוש במקור אנרגיה מלאכותי, חיסכון חשוב במיוחד בחלל החיצון. לייזרים שאובי שמש נחקרים מאז 1963, הן ניסויית והן תאורטית, והוצעו להם יישומים שונים במהלך השנים. נכון ל-2020, לייזרים שאובי-שמש טרם הגיעו לשימוש מסחרי בכדור הארץ או לשימוש טכני בחלל, אולם הנושא זכה בעשור האחרון לתשומת לב מחקרית רבה. תווכי הלזירה שהוכחו ניסויית עבור לייזרים שאובי-שמש הם מוטות של מצב מוצק, כולל ניאודימיום-יאג ניאודימיום-כרום-GSGG שניהם באורך גל של 1.06 מיקרומטר, אלכסנדריט עם אורך גל מתכוונן בתחום 700–818 ננומטר והולמיום ב-2.1 מיקרומטר. כמו כן, נעשו מחקרי התכנות רבים על לייזרי יוד, עם אורך גל של 1.31 מיקרומטר למשל. פאר וחבריה הציגו מגבר לייזר שאוב שמש המבוסס על אדי טלריום עם הגבר של 40% ב-628 ננומטר. בנוסף, לייזרים מוליכים למחצה שאובי-שמש הוצעו על ידי Landis ו-Tsidulko. ב-2017 דווח על לייזר סיב שנשאב על ידי ריכוז שמש נמוך במיוחד ופלט קרינת לייזר באורך גל של 1095 ו-1105 ננומטר. צפיפות ההספק של השמש על כדור הארץ נמוכה מ-1000 וואט למ"ר או עשירית וואט לס"מ. זהו הספק נמוך מאוד בהשוואה לסף הלזירה ולכן יש צורך לרכז אור שמש משטח גדול על שטח קטן של קצה המוט או מעטפתו. זווית הפריסה הקטנה יחסית של השמש עם קוטר של כחצי מעלה מאפשר ריכוז שמש לרמה של פי אלף ויותר מאידך, השמש נעה בשמיים ולכן הרכיב הראשון שמקבל את אור השמש צריך לעקוב אחר תנועתה בכיפת השמיים. הרכיב הראשון יכול להיות מראה גדולה או מערכת של מראות שטוחות או עקומות והן מרכזות את אור השמש לשטח קטן בפתח של מרכז שמש לא-מדמה. מרכז השמש יכול לרכז את האור ישירות על מוט הלייזר. לחלופין, מרכז השמש ממקד את אור השמש על מרכז נוסף אשר מצידו מרכז את האור על המוט. בדוגמה של הציור העליון בצד שמאל, מראת מקטעים קעורים המורכבת על ציר המוטה למטרה עוקבת אחר תנועת השמש בשמיים, ומסיטה את אור השמש לעבר מטרה סטטית. המטרה כוללת מרכז פרבולי לא-הדמאתי בתוך ביתן ניסוי והיא מוארת דרך מראה סטטית הנמצאת מעל המטרה. החתך של המרכז הפרבולי הלא-הדמאתי מוצג בציור התחתון משמאל. המרכז הפרבולי ממקד את אור השמש על מעטפת מוט הלייזר וגורם כך להיפוך אוכלוסייה המאפשר לזירה. בניסוי של ינג ב-1966 ובניסויים מאוחרים יותר באוניברסיטת שיקגו נשאב מוט הלייזר דרך אחד משני פניו. לתצורת שאיבה זו יש את היתרון של בליעה מליאה של אור השמש לאורך המוט. החיסרון של שאיבת קצה הוא שהספק אור השמש שאפשר להחדיר דרך פני המוט קטן בגלל סופיות הגודל הזוויתי של השמש, שאינה מקור אור נקודתי. כדי להחדיר למוט הלייזר הספק שמש גבוה יותר משתמשים בתצורה של הציור התחתון בצד שמאל שבו השמש מאירה את מעטפת המוט, שטח גדול פי כמה משטח פני קצה המוט. ב-2003 פורסמה טבלה המשווה את הספקי הלייזר ויעילותו בעבודות שהתפרסמו עד אז. ההספק הגבוה ביותר, 500 וואט, הושג על ידי קרופקין וחבריו שהשתמשו בשדה המראות של מגדל השמש במכון ויצמן ושאבו את המוט דרך המעטפת שלו. יעילות הלייזר היא מנת הספק הלייזר בשטח מערכת המראות הראשונית, והיא מבוטאת בוואט למ"ר. כך, למשל, הספק השיא של קרופקין וחבריוהושג תוך שימוש בשטח מערכת מראות ראשונית של 660 מ"ר ולכן היעילות הייתה נמוכה יחסית. יעילות שיא של 6.7 וואט למ"ר דווחה ב-2003 על ידי לנדו וחבריו אך מאז שופרה היעילות על ידי ליאנג וחבריו. איכות אלומת הלייזר היא פרמטר הקובע את היכולת למקד את אלומת הלייזר לשטח קטן ככל האפשר, או לשגרה למרחק גדול בלי שתתבדר יותר מדי. ערך הפרמטר המיטבי הוא 1 וככל שהוא גדול יותר, האיכות גרועה יותר. לנדו וחבריו מדדו את איכות האלומה בתצורות מהוד שונות ודיווחו על ערכי פרמטר גבוהים, כלומר על איכות אלומת לייזר שאוב שמש נמוכה. איכות האלומה שופרה בכמה לייזרים שאובי שמש שפותחו בעשור האחרון, כולל דיווחים על אלומה עם פרמטר איכות השווה ל-1, הערך המזערי האפשרי. בשנים 1997–2000 דווח על הפעלה של לייזר שאוב שמש בדפקים (פולסים) של 190–310 ננושניות שהושגה על ידי הכנסת גביש בולע מתרווה של כרום מטריצת יאג לתוך מהוד הלייזר. הוספת גביש KTP לתוך המהוד הכפילה את תדר הלייזר והמהוד הפיק אלומה ירוקה ב-532 ננומטר ובהספק של 4.1 ואאט ממוצע. בנוסף, הודגם שימוש במאפנן אקוסטו-אופטי שהפיק 8.7 וואט מוצע באותו אורך גל. אנרגיה סולארית מהווה מקור אנרגיה חיוני וחשוב בחלל, בגלל היכולת המוגבלת לשגר לחלל כמות גדולה של דלק. כדי להשתמש באנרגיה הסולרית כוללים רכבי חלל ותחנות חלל לוחות פוטו-וולטאיים ובטריות לאחסון החשמל הנוצר. כאשר שוקלים שימושי לייזר בחלל, יש שתי אפשרויות. האפשרות הראשונה היא להפעיל את הלייזר חשמלית תוך שימוש באנרגיה החשמלית המיוצרת בפנלים הפוטו-וולטאיים או נאגרת בבטריות. האפשרות השנייה היא להפעיל לייזרים שאובי-שמש אשר חוסכים את המעבר דרך אנרגיה חשמלית ולכן עשויים לפעול ביעילות גבוהה יותר . יתרונות פוטנציאליים נוספים של לייזרים שאובי-שמש עשויים להיות משקל ומספר רכיבים מופחתים, דבר המקנה אמינות גבוהה יותר. לייזרים שאובי שמש יכולים לשמש לתקשורת בחלל עמוק, לפעול כחיישנים של התנאים על פני כדור הארץ, לגילוי ומעקב אחר עצמים בחלל, להעברת כוח לחלליות אחרות, ולהנעת גופים בחלל על ידי שימוש במפרשי שמש. מעיון בתוצאות חיפוש באתר הפרסומים של האגודה האמריקאית לאופטיקה ובהנחה שחלק נכבד של המאמרים בנושא התפרסמו בכתבי-העת של אגודה חשובה זו, מצטייר כי לאחר העבודות החלוציות בשנים 1963 ו-1966 חלה הפסקה של כעשר שנים במחקר, עד שהתחדש בישראל ובארצות הברית במקביל בשנים 1980–2003. בישראל הובל המחקר על ידי אמנון יוגב במכון ויצמן למדע אשר פעל ביחד עם חוקרים מהקריה למחקר גרעיני ומחברת היישומים שלה, רותם תעשיות. בארצות הברית הוביל את המחקר רולנד וינסטון מאוניברסיטת שיקגו, אשר פעל בשיתוף פעולה עם המעבדה הלאומית לאנרגיות מתחדשות בקולורדו (אנ'). מאמץ אמריקאי נוסף נעשה בעבודות תכנון תאורטיות עבור נאס"א. גל השני של התעניינות בתחום החל באמצע העשור של 2000–2010 והמחקר מובל על ידי יוהנה אלמיידה באוניברסיטה החדשה של ליסבון וע"י חוקרים שונים במזרח הרחוק. אופטיקה לא-מדמה לייזרים אנרגיה סולארית שיוט סולרי בחלל Z.J. Kiss, H. R. Lewis, and R.C. Duncan Jr, Sun-Pumped continuous optical maser, Applied Physics Letters 2, 1963, עמ' 93 C. G. Young, A Sun-Pumped cw One-Watt Laser, Applied Optics 5, 1966, עמ' 993-997 H. Arashi, Y. Oka, N. Sasahara, A. Kaimai, and M. Ishigamae, A solar-pumped cw 18W Nd:YAG laser, Japanese Journal of Applied Physics 23, 1984, עמ' 1051-1053 G.A. Thomson, V. Krupkin, A. Yogev, and M. Oron, Solar pumped Nd:Cr:GSGG parallel array laser, Optical Engineering 31, 1992, עמ' 2644-2646 M. Lando, Y. Shimony, R.M.J. Benmair, D. Abramovich, V. Krupkin, A. Yogev, Visible solar-pumped lasers, Optical Materials 13, 1999, עמ' 111-115 R. M. J. Benmair, J. Kagan, Y. Kalisky, Y. Noter, M. Oron, Y. Shimony, and A. Yogev, Solar-pumped Er,Tm, Ho:YAG laser, Optics Letters 15, 1990, עמ' 36-38 De Young et al. Preliminary Design and Cost of a 1-Megawatt Solar-Pumped Iodide Laser Space-to-Space Transmission Station, NASA Technical Memorandum, 1987 (Original version, WebCite archive), Retrieved 2011-06-23 I. Pe'er, I. Vishnevitsky, N. Naftali, and A. Yogev, Broadband laser ammplifier based on gas-phase dimer molecules pumped by the Sun, Optics Letters 26, 2001, עמ' 1332-1334 G.A. Landis, "New Approaches for a Solar-Pumped GaAs Laser," Optics Communications, 92, pp 261-265 (1992). (Abstract) I.M. Tsidulko, "Semiconductor Laser Pumped by Solar Radiation," Soviet Journal of Quantum Electronics 22 (5), pp. 463-466 (1992). T.Masuda, M. Iyoda, Y. Yasaumatsu and M. Endo, Low-concentrated Solar-pumped laser via transverse excitation fiber-laser geometry, Optics Letters 42, 2017, עמ' 3427 D. Cooke, Sun-pumped lasers: revisiting an old problem with nonimaging optics, Applied OPtics 31, 1992, עמ' 7541-7546 M. Lando, J. Kagan, B. Linyekin, and V. Dobrusin, A Solar-Pumped Nd:YAG laser in the high collection efficiency regime, Optics Communications 222, 2003, עמ' 371-381 V. Krupkin, Y. Kagan, A. Yogev, Nonimaging optics and solar laser pumping at the Weizmann Institute, Proceedings of SPIE, Nonimaging Optics: Maximum Light Transfer II 2016, 1993 D. Liang, J. Almeida and C. R. Vistas, 25 W/m2 collection efficiency solar-pumped Nd:YAG laser by a heliostat-parabolic mirror system, Applied Optics 55, 2016, עמ' 7712-7717 D. Liang and J. Almeida, Solar-Pumped TEM00 Mode Nd:YAG laser, Optics Express 21, 2013, עמ' 25107 M. Lando, Y. Shimony, Y. Noter, R.M.J. Benmair and A. Yogev, Passive Q swithching of a solar-pumped Nd:YAG laser, Applied Optics 39, 2000, עמ' 1962-1965 Geoffrey A. Landis, "Prospects for Solar Pumped Semiconductor Lasers," Paper SPIE 2121-09, Laser Power Beaming, SPIE Proceedings Volume 2121, pp. 58-65, January 27–28, 1994 (web version access date 2009-11-10) OSA, חיפוש מאמרים על לייזרים שאובי-שמש, ‏23.4.2020 D. Jenkins, M. Lando, J. O'Gallagher, R. Winston, A. Lewandowski, C, Bingham, R. Pitts, A solar pumped Nd:YAG laser with a recod efficiency of 4.7 Watt/m2, Bulletin of the Israeli physical society, 1996, עמ' 101