Звук лазера: Звуки лазера СКАЧАТЬ и слушать онлайн

Звуковой луч — реально ли это? / Хабр

Картинка: Фононный лазерный прибор.

Автор: Ivan S. Grudinin, Источник


С момента своего появления лазеры совершили революцию в современной науке и технике, позволив передавать данные большого объёма на большие расстояния, хранить их, используя модификацию вещества с использованием лазерного луча, исследовать структуру материалов и предоставив многие другие возможности. Известно, что лазер является оптическим явлением. А теоретически, возможен ли некий звуковой лазер? Именно об этом мы и поговорим в этой статье.

Почти более 10 лет назад появилось устройство, получившее название «сазер» (англ. saser, сокр. от Sound Amplification by Stimulated Emission of Radiation, также называется звуковым, фононным или акустическим лазером), изобретателями которого стали английский профессор Энтони Кент и Борис Главин.

Нанометровая длина волны излучения типичного сазера позволяет проводить качественные исследования внутренней структуры материалов, так как звуковая волна глубоко проникает в физические объекты. Кроме того, если сравнивать с обычными оптическими лазерами, то можно сказать, что сазеры обладают гораздо меньшей длиной волны, что позволяет получать гораздо более чёткие картины. Вторым положительным качеством является возможность фокусировки с более высокой концентрацией энергии (из-за наличия короткой длины волны) в точку гораздо меньшего размера, с более высокой концентрацией энергии.

Потенциально изобретение сазеров может привести к созданию микропроцессоров, работающих на очень высоких частотах, существенно превышающих имеющиеся на данный момент.

В отличие от оптических устройств, вроде лазера, который оперирует понятием фотонов (частиц электромагнитного излучения), сазер оперирует понятием «фонона», — единого неделимого элемента вибрационной природы.

Образование фононов происходит следующим образом: для генерации используется специальная сетка, представляющая собой своеобразный бутерброд из арсенида галлия и арсенида алюминия. В эту сетку подаются затравочные фононы, то есть элементарные частицы, которые многократно переотражаются от структуры этой сетки, попутно лавинообразно генерируя всё новые и новые фононы. Для запуска генерации используется внешняя накачка лазерным лучом.

Таким образом, на выходе этой сетки образуется когерентный фононный луч, который обладает частотой колебаний вплоть до терагерца (частота типового сазера находится в пределах от нескольких мегагерц до терагерца).

Для создания сазеров необязательно использовать описанные выше полупроводниковые решётки, например, может быть использован способ генерирования когерентного звукового пучка в жидкости, наполненной газовыми пузырьками.

Суть этого способа заключается в том, что используется замкнутая ёмкость, заполненная жидкостью, в которой равномерно распределены дисперсные частицы. Специальная электрическая система генерирует электромагнитное поле, которое электризует пузырьки в жидкости. Импульсы электризации вызывают изменение объёмов каждого пузырька, что в свою очередь при определённом периоде следования импульсов вызывает излучение звуковой волны каждой частицей.

Дальнейшая настройка позволяет создать условия для возникновения стоячей волны, и при этом происходит усиление выходного полезного излучения, а сами пузырьки в жидкости в этот момент группируются согласно распределению акустических волн в ней.

Philipposc, Источник

Способы создания сазеров не ограничиваются теми, о которых уже было сказано, более подробно об этой теме вы можете прочитать вот по этой ссылке.

А существуют ли нелазерные способы образования звукового луча? Да, конечно, например, существует такая технология как получение «звука от ультразвука». Суть её заключается в том, что ультразвук достаточно высокой энергии при прохождении через воздушную среду может изменить скорость прохождения звука в ней, другими словами, воздух, находящийся на пути прохождения такого луча, ведёт себя нелинейно и может являться модулятором звуковой волны слышимого диапазона.

Если сказать проще, то человек на пути такого луча начинает слышать звук, а если отойдёт в сторону от него — не услышит ничего. Кроме того, если этот луч упрётся в какую-либо преграду, то сама преграда начнёт излучать звуковую волну.

Описанный принцип хорошо показан на видео ниже, где автор использовал для создания мощного ультразвукового излучения массив ультразвуковых излучателей хоббийного типа.

Почему в экспериментах подобного рода используется ультразвук? Дело в том, что он уже по своей природе обладает гораздо более узким лучом распространения, чем звук слышимого диапазона, именно поэтому его используют в экспериментах по созданию такого «беззвучного звукового луча».

Коммерческие перспективы подобной технологии достаточно велики: на её основе возможно создавать своеобразные звуковые проекторы, которые позволяют достаточно точно наводить звук на потребителя, в то время как окружающие лица не будут слышать ничего. Или, например, удобным способом применения технологии может быть прослушивание разными лицами в одном и том же помещении разных звуковых дорожек.

Подобная технология изначально были разработана параллельно в СССР и США еще в шестидесятых годах, однако несовершенство тогдашних решений не позволяло передавать звук с приемлемыми искажениями. Решение было найдено только в 1998 году, после чего передаваемый таким способом звук стал обладать приемлемым качеством, а искажения, сопутствующие ему, не превышают таковые у обычных звуковых колонок.

Следует отметить, что описанные выше способы не являются единственно возможными для дистанционной передачи звука с использованием лучевых принципов.

Еще одним достаточно интересным вариантом создания звуковых колебаний на произвольном расстоянии является использование классического лазера, с помощью которого создаётся так называемый «световой пробой», также его называют «оптическим пробоем», «лазерной искрой».

Если вкратце, то оптический пробой представляет собой такое состояние газа, в которое он переходит под воздействием светового излучения лазера:

• Если лазер достаточно мощный (сила его излучения лежит в пределах от 109 до 1011 ватт на квадратный сантиметр), то он вызывает появление в воздухе вспышки света, которая представляет собой резкий переход газа в ионизированное состояние. В первый раз подобное явление было замечено ещё в 1963 году при экспериментах с рубиновым лазером.
• Если лазерное излучение является недостаточно мощным (сила его лежит в пределах до 107 ватт на квадратный сантиметр), то горение искры происходит с дозвуковой скоростью и называется «медленным горением».

Дискретный пример такого пробоя (с мощным лазером) можно увидеть ниже:

Таким образом, лазерный световой пробой по сути своей является образованием в газе или жидкости плазмы, которая сначала расширяется, а потом резко схлопывается или, другими словами, коллапсирует, результатом чего является резкий звуковой импульс.

Подобный импульс может быть образован с помощью абляции с поверхности твёрдого материала, на которую наведен лазерный луч.

То есть, если лазерный луч модулирован звуком, то образующаяся в воздухе искра, либо испаряющийся с поверхности материал могут излучать звук достаточно громкий и мощный. Кроме того, перемещая лазерный луч с точкой фокусировки в пространстве, можно перемещать и источник звука (то есть место горения лазерной искры в пространстве будет изменять своё положение).

Плюсом такого способа извлечения звука является отсутствие потребности в аналого-цифровом преобразователе, так как цифровые последовательности импульсов напрямую преобразуются в звук.

Следует отметить, что до сих пор ещё не создано устройство, которое может воспроизводить достаточно сложный и продолжительный звук (видимо, просто никто и не задавался такой целью). Так что, как говорится, «изобретателю и все карты в руки».

Если кто-то интересуется этой темой, вот по этой ссылке можно посмотреть научную работу, посвящённую этому вопросу. В ней достаточно подробно рассмотрены вопросы создания такого лазерного акустического излучателя.

Подытоживая, можно сказать, что создание и развитие идеи лучевой передачи звука сулит множество преимуществ. Среди наиболее очевидных из них можно назвать точечную передачу звука конкретному потребителю, создание сверхскоростных микропроцессоров, создание источника звука далеко от излучателя в любой точке пространства (с помощью оптического пробоя).

Как мы видим, работа продолжается, И кто знает, что сулит нам будущее…

В MIT научились передавать звук с помощью лазера / Хабр

Группа исследователей из MIT представила новый метод передачи направленного звука при помощи лазера. Под катом, рассказываем, на чем построена эта технология.

Фото PxHere / PD

Лазер для передачи звука

Технология направленного звука, способная формировать аудиопоток, слышимый в небольшой области пространства, известна ещё с 1980-х годов. Однако звук от таких систем (в том числе современных) сложно назвать узконаправленным: в среднем он распространяется на зону диаметром в 50 сантиметров. Большой размер области покрытия ограничивает их применение.

Сегодня они используются для создания «аудиоточек» в музеях — чтобы посетители могли слушать лекции электронных гидов и не мешать другим — но не годятся для трансляции аудиопотока конкретному человеку на большом расстоянии.

Эту проблему решили инженеры из MIT. Они предложили использовать для передачи направленного звука точно лазерный луч. В основе их решения лежит фотоакустический эффект, когда водяной пар в атмосфере поглощает энергию света. Этот процесс приводит к локальному повышению давления воздуха и возникновению звуковых колебаний. Эти колебания человек способен воспринимать без дополнительного носимого оборудования.

Как это работает

В качестве источника излучения инженеры из MIT использовали тулиевый лазер, который обычно применяют в медицине и косметологии. Устройство способно генерировать излучение с длиной волны от 1900 до 2000 нм — ближний инфракрасный диапазон электромагнитного спектра. Решение применить тулиевый лазер связано с тем, что водяной пар в воздухе лучше всего поглощает волны именно этой длины. Ещё одна причина — свет с длиной волны 1900 нм безвреден для сетчатки глаза и кожи человека.

Разработчики предложили два способа передачи звука. В первом методе задействован акустооптический модулятор — устройство, которое меняет интенсивность пропускаемого света. Оно состоит из стеклянной пластины, на которой при помощи пьезоэлектрического преобразователя создаётся бегущая ультразвуковая волна, меняющая интенсивность луча. Достоинством этого подхода стало довольно высокое качество передаваемого звука — исследователям удалось успешно воспроизвести запись речи и даже музыку.

Во втором способе передачи аудиоинформации вместо модулятора используется вращающееся зеркало. Оно перемещает лазерную точку в пространстве около слушателя со скоростью звука, что приводит к интерференции акустических сигналов и их усилению.

В этом случае качество звука хуже, чем в первом методе. Однако сам звук оказывается гораздо более громким — авторам удалось достигнуть значения в 60 дБ на расстоянии в 2,5 метра (в первом случае максимумом были 30 дБ).

Пока что разработчикам не удалось создать систему, которая бы объединила достоинства — громкость и качество звука — обоих подходов. Но они продолжат работу в этом направлении. Инженеры планируют развивать метод на основе вращающегося зеркала. Решение связано с тем, что «сделать громче» звук в первом случае можно только за счет более мощного лазера, а он уже будет опасен для человека.

Другие методы передачи направленного звука

Идея использовать лазер для передачи звука на расстояние не нова. Подобную технологию предложили в Министерстве обороны США. Они использовали два оптических устройства: фемтосекундный лазер, который создает в воздухе шар плазмы, и нанолазер, настроенный на узкий диапазон длин волн и генерирующий в этом шаре звуковые колебания.

В результате в воздухе раздается неприятный шум, похожий на звук сирены. Устройство планируют применять для защиты секретных объектов от посторонних.

Фото D-Kuru / CC BY-SA

Для передачи направленного звука также используют микроволны. Несколько лет назад группа исследователей из университета Иллинойса в Чикаго изучала возможность передачи аудиосигнала с помощью аппарата МРТ, используя черепные кости человека в качестве «носителя» звуковых колебаний. Инженерам удалось передать явно различимые акустические щелчки, но сколько-нибудь сложные аудиозаписи воспроизвести не удалось. Звуковые волны были недостаточно мощными для этого.

Еще одним способом воспроизведения аудиозаписей в небольшой области пространства является ультразвук. Компания Noveto в прошлом году представила акустическую колонку, которая имеет 3D-сенсоры, отслеживающие положение головы слушателя. Затем она рассчитывает, в каком направлении и под каким углом нужно посылать ультразвуковые волны, чтобы создать у слушателя ощущение «виртуальных наушников».

Перспективы направленного звука

Сегодня направленный звук преимущественно используют на выставках или в рекламе. Однако ожидается, что в будущем он станет более эффективным маркетинговым инструментом. Например, колонки Noveto планируют использовать вместе с системой распознавания лиц для передачи таргетированных рекламных объявлений для прохожих на улице.

С новыми методами передачи звука появятся и другие сферы их применения. Например, решение инженеров из MIT предлагают использовать в системах персонального оповещения людей об опасностях, так как лазер способен транслировать звук на очень большие расстояния.

Дополнительное чтение из нашего «Мира Hi-Fi»:

Шума стало много, шума будет мало: звуковая гигиена в городах
Как превратить компьютер в радио

Как на самом деле звучат лазеры?

Автор:

Райан Ф. Мандельбаум

Опубликовано 3 июля 2019 г.

Комментарии (56)

Мы можем получать комиссию за ссылки на этой странице.

Изображение: GIF из видео Кэмерона Геддеса. Но вы использовали лазерную указку, верно? Получилось «пиу»?

Мощные лазеры издают звуки, но они не «пью» и исходят не от самого света. Вместо этого шум исходит от оборудования, которое генерирует лазерный свет, или от взаимодействия между лазерным лучом и объектом.

Сначала давайте обсудим, что такое лазер. Материя состоит из множества атомов, вокруг которых находятся электроны. Электроны могут существовать только в определенных местах вокруг этих атомов, называемых энергетическими уровнями. Если вы возбудите электрон энергией, он перейдет на более высокий энергетический уровень. Некоторое время спустя он может спонтанно перейти на более низкий энергетический уровень, в результате чего атом испустит частицу света, называемую фотоном. Но вместо того, чтобы ждать, вы также можете сами стимулировать излучение, воздействуя на лазер более правильно настроенными фотонами. В результате получается плотный пучок фотонов с синхронизированными электромагнитными полями. Лазеры — это устройства, излучающие свет на основе этого принципа.

Современные лазеры, как правило, состоят из некоторого электрического источника, подающего энергию на кристалл, расположенный между зеркалом и другим зеркалом, пропускающим свет. Свет отражается между зеркалами и сквозь кристалл, стимулируя испускание фотонов кристалла, которые выходят через частичное зеркало. Другая оптика, источники питания и другие кристаллы дополнительно настраивают форму, продолжительность и мощность лазерного импульса.

Но звук создается вибрациями воздуха, а не светом. Луч лазерного света сам по себе не производит никакого шума.

Однако производство лазерных лучей может быть шумной операцией. Высоковольтный источник питания лазерных импульсов может издавать щелкающие звуки, как показано в этом видео ученых, производящих импульсы с помощью мощного лазера BELLA в Беркли, Калифорния. Европейский XFEL-лазер, самый яркий источник рентгеновского излучения в мире, очень громкий, но на самом деле посетители слышат жужжание механизмов и поток воды, протекающий через установку, которая охлаждает оборудование.

Кроме того, European XFEL приводится в действие ускорителем частиц, который дополнительно охлаждается жидким гелием. Это требует компрессоров для достижения низких температур, создавая громкий звук машины.

Луч, взаимодействующий с различными средами, также может создавать шумы. В первой половине видео от лазерной команды BELLA вы можете услышать статический щелчок. В этом случае лазер перемещается по экрану слева направо и фокусируется в луч шириной 20 микрометров, создавая достаточно сильное электрическое поле, которое отталкивает электроны от атомов в промежуточном пространстве. Это генерирует плазму, которая расширяется со скоростью, превышающей скорость звука в воздухе, создавая ударную волну и сопровождающий звук. Он также меняет оптические свойства воздуха, создавая цветное кольцо и вспышки, проецируемые на дальнюю стену.

Высокоэнергетический лазерный импульс, поражающий материал, также может производить громкий шум. Исследовательница из группы биомедицинских лазеров и оптики Базельского университета в Швейцарии Ферда Канбаз направляет мощный лазер на кость, генерируя вибрационную энергию и шум при отщеплении материала. А на видео лазера BELLA от Вима Лиманса вы слышите громкий хлопок — это ударная волна, вызванная выбросом энергии в неэкспонированный черный полароид.

Итак, нет, современные лазеры обычно не издают звуков «пью». Но, возможно, оглушающая ударная волна — более реалистичный способ представить невероятную мощность современных лазеров.

Лазерный шум, объяснение в Энциклопедии RP Photonics; шум интенсивности, фазовый шум, временной джиттер

Примечание: поле поиска по ключевому слову статьи и некоторые другие функции сайта требуют Javascript, который, однако, отключен в вашем браузере.

можно найти в Руководстве покупателя RP Photonics.

Список поставщиков оборудования для измерения лазерного шума

Вас еще нет в списке? Получите вход!

Используя наш рекламный пакет, вы можете разместить свой логотип и далее под описанием вашего продукта.

Совет по лазерному шуму

Обратитесь в RP Photonics за консультацией по любому аспекту лазерного шума, будь то происхождение, симуляция и моделирование, оптимизация, измерение или его влияние. Обратите внимание, что д-р Пашотта имеет особенно большой опыт в этой области. Презентация Powerpoint дает более подробную информацию.

Из-за различных влияний квантового шума и флуктуаций различного технического происхождения выходной сигнал лазера всегда содержит шум.
Существуют различные виды лазерного шума:

• В одночастотном лазере имеется шума интенсивности (или шума амплитуды ) и шума фазы .
  Последнее вызывает конечную ширину лазерной линии и сильно связано с частотным шумом.
  Это также ограничивает временную согласованность.
• В лазере, работающем на нескольких модах резонатора, обычно присутствует более сильный шум интенсивности из-за шум биений моды , а также шум разделения моды , т. е. флуктуации распределения мощности по модам резонатора.
  Оптическая мощность в одном из этих режимов может колебаться намного больше, чем общая мощность.
• Лазер с синхронизацией мод демонстрирует дополнительные типы шума — например, шум во временном положении импульсов (→ временной джиттер ), шум в центральной частоте, длительность импульса и чирп.
  Для синхронизации гармонических мод также существуют так называемые шум суперрежима .
• Любой лазер может демонстрировать колебания направления луча .

Происхождение лазерного шума

Причины возникновения лазерного шума можно разделить на две группы:

• квантовый шум , в частности связанный со спонтанным излучением в усиливающей среде
• технический шум , возникающий напр. от избыточного шума источника накачки, от вибраций резонатора лазера или от флуктуаций температуры

Воздействие лазерного шума

Лазерный шум важен для многих лазерных применений.
Некоторые примеры:

• Высокоточные оптические измерения, т.е. в частотной метрологии, прецизионной лазерной спектроскопии или интерферометрии требуют малой интенсивности и фазового шума.
• Скорости передачи данных, достижимые с помощью оптоволоконных систем связи, обычно ограничиваются шумами лазеров и усилителей.
• Для точной лазерной обработки материала часто необходимо свести к минимуму флуктуации направления луча и колебания энергии импульса.

Рисунок 1:
Интенсивно-шумовой спектр твердотельного лазера.

Методы шумоподавления

Лазерный шум можно уменьшить разными способами:

• Квантовый шум можно уменьшить, например, за счет увеличения уровня внутрирезонаторной мощности, минимизации оптических потерь и увеличения длины резонатора.
• Воздействие технических шумов может быть уменьшено, напр. созданием стабильного лазерного резонатора, температурной стабилизацией установки или использованием малошумящего источника накачки.
• Параметры лазера можно оптимизировать, чтобы лазер меньше реагировал на определенные шумовые воздействия.
• Переключение режимов может быть подавлено, например. с оптическим фильтром.
• Существуют различные активные и пассивные методы стабилизации лазеров.

Предпосылкой для эффективного шумоподавления является известность источника наиболее мешающего шума, а также параметров, определяющих чувствительность лазера к таким шумовым воздействиям.
В зависимости от случая, может быть более эффективным уменьшить либо влияние самих шумов, либо чувствительность лазера.

Поставщики

В Руководстве покупателя RP Photonics указаны 4 поставщика оборудования для измерения лазерного шума.

Вопросы и комментарии от пользователей

Здесь вы можете задать вопросы и комментарии. Если они будут приняты автором, они появятся над этим абзацем вместе с ответом автора. Автор принимает решение о принятии на основе определенных критериев. По существу, вопрос должен представлять достаточно широкий интерес.

Пожалуйста, не вводите здесь личные данные; в противном случае мы бы удалили его в ближайшее время. (См. также нашу декларацию о конфиденциальности.) Если вы хотите получить личную обратную связь или консультацию от автора, свяжитесь с ним, например. по электронной почте.

Ваш вопрос или комментарий:

Проверка на спам:

  (Пожалуйста, введите сумму тринадцати и трех в виде цифр!)

Отправляя информацию, вы даете свое согласие на возможную публикацию ваших материалов на нашем веб-сайте в соответствии с нашими правилами. (Если вы позже отзовете свое согласие, мы удалим эти материалы.) Поскольку ваши материалы сначала просматриваются автором, они могут быть опубликованы с некоторой задержкой.

Библиография

[1]	А. Л. Шавлов и Ч. Х. Таунс, «Инфракрасные и оптические мазеры», Phys. Rev. 112 (6), 1940 (1958), doi: 10.1103/PhysRev.112.1940 (новаторская работа; также содержит известное уравнение Шавлова – Таунса)
[2]	Е. И. Гордон, «Оптические мазерные колебания и шум», Bell Sys. Тех. J. 43, 507 (1964), doi:10.1002/j.1538-7305.1964.tb04076.x
[3]	C.C. Harb et al. , «Зависимость интенсивности шума Nd:YAG-лазеров от источника накачки диодного лазера», J. Opt. соц. Являюсь. Б 14 (11), 2936 (1997), doi:10.1364/JOSAB.14.002936
[4]	B.C. Buchler et al. , “Управление шумом интенсивности лазера с обратной связью”, Phys. Rev. A 57 (2), 1286 (1998), doi:10.1103/PhysRevA.57.1286
[5]	T.C. Ralph et al. , «Понимание и контроль шума интенсивности лазера», Opt. Квантовый электрон. 31, 583 (1999), doi:10.1023/A:1006943801659
[6]	Р. Пашотта, «Шум лазеров с синхронизацией мод. Часть I: численная модель”, Прил. физ. Б 79, 153 (2004); Р. Пашотта, “Шум лазеров с синхронизацией мод. Часть II: временной джиттер и другие флуктуации», Appl. физ. B 79, 163 (2004), doi:10.1007/s00340-004-1548-9
[7]	R. Paschotta et al. , «Оптический фазовый шум и шум смещения несущей-огибающей лазеров с синхронизацией мод», Appl. физ. B 82 (2), 265 (2006), doi:10.1007/s00340-005-2041-9
[8]	CJ McKinstri, «Стохастические и вероятностные уравнения для трех- и четырехуровневых лазеров: учебник» , J. Opt. соц. Являюсь. B 37 (5), 1333 (2020), doi: 10.1364/JOSAB.379976
[9]	J. Peng et al. , «Принципы, измерения и подавление шума полупроводникового лазера – обзор», IEEE J. Quantum Electron. 57 (5), 2000415 (2021), doi: 10.1109/JQE.2021.3093885
[10]	CJ McKinstri, TJ Stirling and A.S. Helmy, «Laser linewidths: tutorial», J. Opt. соц. Являюсь. B 38 (12), 3837 (2021), doi: 10.1364/JOSAB.439882
[11]	C. J. McKinstrie, T. J. Stirling and A. S. Helmy, «Стохастические системы: учебник», J. Opt. соц. Являюсь. B 38 (12), 3818 (2021), doi: 10.1364/JOSAB.439879
[12]	R. Paschotta, H.R. Telle и U. Keller, «Noise of Solid State Lasers», in Solid-State Lasers and Applications (ed. A. Sennaroglu), CRC Press, Бока-Ратон, Флорида (2007 г.), глава 12, стр. 473–510
[13]	Р. Пашотта, «Шум в лазерной технологии». Часть 1 – Интенсивность и фазовый шум; Часть 2: Флуктуации в импульсных лазерах; Часть 3: Колебания направления луча

(Предложите дополнительную литературу!)

См. также: характеристики шума, характеристики лазера, квантовый шум, дробовой шум, шум интенсивности, фазовый шум, ширина линии, ширина линии Шавлова – Таунса, шум усилителя, когерентность, стабилизация лазеров, скачкообразная перестройка мод, The Photonics Spotlight 2006-08-01, The Photonics Spotlight 20.