Lidaris kosmosui – lazerinių optinių sistemų testavimas

Lidaris – mes padedame kelti lazerius į kosmosą. Lidaris Ltd pavadinimas kilo nuo termino „Laser – Induced Damage Threshold“.

Žemiškoji veikla

„Lidaris Ltd” yra aukštųjų technologijų bendrovė, teikianti pasaulinio lygio optikos charakteristikų nustatymo paslaugas, daugiausia dėmesio skirianti lazerio sukelto pažeidimo slenksčio (Laser Induced Damage Threshold – LIDT), bendros integruotos sklaidos (Total integrated dissemination – TIS) ir sugerties bandymams. Bendrovė taip pat siūlo mokslinių tyrimų ir plėtros paslaugas, pagrįstas originaliais aparatinės ir programinės įrangos sprendimais, skirtais didelės galios optikos kokybei gerinti. Bendrovė „Lidaris” buvo įkurta kaip Vilniaus universiteto Lazerinių tyrimų centro pumpurinė įmonė 2012 metais po daugiau nei 10 metų intensyvių tyrimų pažaidos lazerio spinduliuote srityje. Pagrindinį personalą sudaro mokslininkai. Šiandien Lidaris didžiuojasi aptarnaudami garsiausias optikos įmones – šiuolaikinės lazerių rinkos lyderes, įskaitant optikos ir lazerinių sistemų gamintojus ir tiekėjus. Bendrovės eksporto dalis viršija 85 proc.

Lazerio schema: 1 – neskaidrus veidrodis, 2 – kaupinimo energijos šaltinis, 3 – aktyvioji terpė, 4 – pusiau skaidrus veidrodis, 5 – lazerio spindulys. Pagal vle.lt

Pažaida lazerio spinduliuote

Kai optinis elementas yra apšviečiamas didelio intensyvumo lazerio spinduliuote, jo paviršius ar tūris gali pakisti fiziškai (išsilydyti, “išsprogti”, “atšokti” danga ir pan.) arba optiškai (tarkim praleisti daugiau spinduliuotės nei turėtų). Ribą, kurią viršijus optinis elementas bus pažeistas, apibūdina fizikinis dydis – pažaidos lazerio spinduliuotei slenkstis (PLSS) arba Laser – Induced Damage Threshold (LIDT).

Įvairūs pažaidos variantai. Lidaris Ltd nuotrauka

Optikos pažeidimai yra svarbūs, dirbant su didelių intensyvumų lazeriais. Šio tipo lazeriai dažniausiai taikomi medžiagų apdirbimo (pjovimo, lydymo), karybos, medicinos ar mokslo srityse. Kartais atsiranda poreikis šiek tiek didesnės galios lazerius iškelti ir į kosmosą. Toks pavyzdys būtų ADM-Aeolus misija, kuomet į 320 km orbitą apie Žemę buvo iškeltas prietaisas ALADIN (Atmospheric LAser Doppler Instrument) su ultravioletinėje spektro dalyje (355 nm) veikiančiu ir trumpus, didelės galios ~ 5 MW, šviesos impulsus skleidžiančiu lidaru. Jo paskirtis buvo gauti vėjų charakteristikas ir gerinti meteorologines prognozes.

ADM-Eolus misijos įranga

Kuomet per misijas iškeliami didelės galios lazeriai, svarbu tampa užtikrinti, kad kažkoks optinis elementas nesuges per anksti. Kodėl tai svarbu ? Lidaris analitikė, dr. Gintarė Batavičiūtė sako: „Galima nusiusti darbuotojus į Australiją ar Kiniją ir sutaisyti sugedusius elementus. Deja, į kosmosą nusiusti inžinieriaus, kuris pakeistų sugedusį optinį elementą, bent jau dabar, negalima“. Dėl pažeisto optinio elemento, visas prietaisas ims veikti ne taip kaip turėtų, gali tekti net ir per anksti nutraukti misiją. Tai būtų didžiulis finansinis nuostolis, nes, minėta Aeolus misijos kaina siekė ~ 500 mln. €. Todėl Europos Kosmoso Agentūrai (EKA) pasirodė įdomi mūsų veikla.

UAB Lidaris projektų vadovė Dr. Gintarė Batavičiūtė ir vadovas Dr. Andrius Melninkaitis pasidalino, kodėl lazerių optikos testavimas svarbu kosmoso misijoms

Link kosmoso

Kosmose veikiančioms lazerinėms sistemoms reikia optikos, galinčios užtikrinti ilgalaikį ir efektyvų veikimą esant didelei vidutinei išėjimo galiai. Jei lazerinėje sistemoje naudojamas optinis elementas sugestų, lazerio veikimas gali smarkiai suprastėti, o pati sistema netgi sugesti. Be to, pažeistas optinis elementas keltų pavojų ir visam kosminiam projektui, nes orbitoje beveik nėra galimybės pataisyti optinio elemento gedimo.

Lazerio optikos pasižeidimai optikoje? Lidaris Ltd iliustracija

Iki šiol gebėjimą prognozuoti kosminėms programoms reikalingą optinio elemento ilgaamžiškumą ribojo nepakankamas eksperimentinių duomenų kiekis ir patvirtintų prognozavimo modelių trūkumas. Siekdamos išspręsti šią problemą, Lidaris ir Europos kosmoso agentūra (EKA) suvienijo jėgas bendram projektui ESPRESSO (ESPRESSO – ESsential PREparation Steps for qualification longevity of Space Optics) dar 2016 metais.

Jis iš esmės buvo skirtas rasti būdą, kaip charakterizuoti optinius elementus, idant jie galėtų skristi į kosmosą ir ten patikimai veikti keletą metų. Paprastai tokiems ilgiems terminams optika Žemėje nebuvo charakterizuojama, nes taikant standartinius testavimo metodus, testo laikas būtų itin ilgas ir tokios testo kainos niekas nemokėtų. Todėl projekto metu pirmiausia reikėjo parinkti/atrasti tinkamą matavimo ir duomenų analizės metodologiją. Tuomet buvo atlikta serija tikslinių matavimų. Pirmieji testavimai buvo atlikti ore tik su vieno tipo optiniais elementais – didelio atspindžio veidrodžiais. Atliekant matavimus, buvo išsiaiškinta, kad siekiant tinkamai charakterizuoti optinius elementus, būtina ne tik identifikuoti pažaidą, bet kartu atskirti koks fizikinis mechanizmas ta pažaidą sukėlė. Panašiai kaip sugedus mašinai, pirmiausia reikia nustatyti, kas sukėlė gedimą. Taip ir tiriant medžiagų optinį atsparumą lazerio spinduliuotei, pirmiausia svarbu nustatyti kokio tipo pažaida atsirado. O gal būt tai lėmė kelios priežastis. Tuomet kiekvienas veiksnys turi būti vertinamas atskirai. Pritaikius visas projekto metu sukauptas žinias, Lidaris sėkmingai pademonstravo kaip galima atrinkti optinius elementus, skirtus kosmoso pramonei.

ESPRESSO II

Po kelių metų, 2021 metais, buvo patvirtintas projekto ESPRESSO pratęsimas: ESPRESSO II. Antrame projekte buvo tęsiami optikos skirtos kosmoso pramonei charakterizavimo darbai. Tačiau šįkart matavimai jau buvo vykdomi vakuumo aplinkoje (10-6 mbar). ESPRESSO II metu buvo sukurta mobili vakuuminė sistema, kuri gali būti prijungta prie įvairių lazerinių sistemų. Todėl ją galima pritaikyti įvairioms kosmoso misijoms. Bandymus galima atlikti įvairiais kritimo kampais: 0⁰, 22.5⁰, 45⁰, 56⁰ ir 65⁰.

Projekto ESPRESSO II metu sukurta mobili vakuuminė sistema. Lidaris nuotrauka

Šįkart buvo testuojami įvairūs pralaidūs optiniai elementai: poliarizatoriai, optiniai pagrindukai ir antirefleksines dangos. Priešingai nei testuojant didelio atspindžio veidrodžius, lazerio šviesa praeina per šiuos optinius elementus kiaurai. Todėl pažaida gali atsirasti ne tik optinio elemento pirmame paviršiuje, bet ir tūryje ar antrame paviršiuje. Tad šiuo atveju reikėjo įgyvendinti dar vieną naujovę: nuolat stebėti abu optinio elemento paviršius.

Tokių testavimo sąlygų įgyvendinimas pareikalavo daug techninių ir inžinerinių sprendimų. Tačiau galiausiai Lidaris pavyko tinkamai charakterizuoti optinius elementus vakuumo aplinkoje, bei taikant ESPRESSO I metu sukurta metodologiją, nuspėti ir prognozuoti kaip optiniai elementai elgsis ir kokius intensyvumus galės atlaikyti po keleto metų. Projektas sėkmingai užbaigtas 2024 metų gegužę.

Po jo buvome pakviesti prisidėti prie optikos charakterizavimo darbų, kurie galimai bus panaudoti ADM AEOLUS 2 misijai. Pirmoji ADM Aeolus misija, vykdyta nuo 2018 rugpjūčio 22 iki 2023 liepos 28, vertinama kaip labai pavykusi. ADM AEOLUS – Atmospheric Dynamics Mission-Aeolus – Aeolus – Earth Online (esa.int)

Lidaris Ltd indėlis į astronautiką yra nestandartinis, tai ne ta veikla, su kuria paprastai žmonėms asocijuojasi astronautika, bet ji yra labai svarbi siekiant kelti galingas lazerių sistemas aukštyn į kosmosą.

Atsakomybės apribojimas: čia pateikta nuomonė jokiu būdu negali būti laikoma oficialia Europos kosmoso agentūros nuomone.