Плазменный щит Boeing
Концепция лазерного плазменного щита, исследуемая по патентам Boeing
1. Рамка с зеркалами — конфигурация интерферометра
Под «рамкой с зеркалами» логично понимать систему, удерживающую лучи внутри замкнутого контура и заставляющую их многократно пересекаться под строго контролируемыми углами. Есть два основных варианта:
· Стоячая волна в резонаторе. Два встречных луча между парой зеркал образуют периодические плоскости узлов и пучностей. Чтобы получить трёхмерные «точки», нужны три пары зеркал, ортогональные друг другу (всего 6 лучей).
· Многолучевая интерференция. Несколько лучей сходятся в одной области под определёнными углами, например, по схеме тетраэдра. Для создания полной трёхмерной периодической картины минимально требуется 4 луча (классическая голографическая литография). Чем больше лучей, тем сложнее и плотнее структура точек.
Если лучи должны быть разной частоты, статической интерференционной картины не будет — узоры быстро «побегут». Но это даже полезно: движущаяся, осциллирующая решётка эффективнее захватывает пролетающие частицы за счёт усреднённых пондеромоторных сил. Достаточно 4–6 лучей, чтобы обойтись без нежелательных стоячих биений и создать сложное многомасштабное силовое поле.
2. Сколько лучей нужно на практике?
Всё зависит от желаемой геометрии защиты:
· Локальный микрощит (защита сенсора, оптики): 1–2 луча с сильной фокусировкой, создающие одиночную «точку»-ловушку или плазменную линзу.
· Плоский барьер (стена): множество параллельных пар (до десятков тысяч), образующих двумерный массив точек. Система зеркал здесь — это две гребёнки микрозеркал, размножающие один исходный луч.
· Объёмное силовое поле (сфера или куб): от 4 до 6 лучей в минимальной конфигурации, масштабируемой за счёт расширения пучков. Для создания действительно сплошного поля с точками через каждый миллиметр понадобятся сотни когерентно связанных лучей, что и даст желаемую «рамку» из множества зеркальных ячеек.
3. Какие частоты и мощности нужны
Выбор частоты диктуется физическим механизмом сопротивления:
· Диэлектрическая оптическая решётка (для удержания микрочастиц, аэрозолей).
Частота: видимый/ближний ИК диапазон (400–1100 нм).
Мощность: непрерывная, порядка 10⁶–10⁹ Вт/см² в точках.
Особенность: длины волн участников должны быть слегка разными (разнос > гигагерца), чтобы в точках пересечения не было стационарной интерференционной картины, а возникал усреднённый силовой ландшафт, не чувствительный к вибрациям.
· Плазменный щит (отражение ударов, ударных волн).
Частота: ультрафиолет (248 нм, 355 нм) или ближний ИК (800 нм, 1.06 мкм) для фемтосекундных/пикосекундных лазеров. УФ выгоднее для прямой ионизации, ИК — для многофотонной.
Пиковая мощность в точке: >10¹³ Вт/см² для пробоя воздуха. Если пятно фокусировки в точке пересечения имеет диаметр 0.1 мм, потребуется лазер с импульсной энергией порядка 0.1–1 Дж и длительностью <100 фс.
Разные частоты лучей предотвращают образование нежелательных стоячих плазменных решёток, которые могли бы экранировать поле. Например: 800 нм, 400 нм (вторая гармоника) и 266 нм (четвёртая) — пересекаясь, они создают локализованный плазменный узел именно в точке фокуса, где суммарная интенсивность максимальна.
4. Суровая реальность: почему это пока фантастика
Чтобы «точка сопротивления» удержала не пылинку, а осколок, летящий со скоростью пули, световое давление должно совершить работу против кинетической энергии. Простой расчёт: пуля массой 10 г на скорости 300 м/с обладает энергией ~450 Дж. Лазерный импульс отдаёт импульс p = E/c. Чтобы затормозить пулю только давлением света, потребуется энергия в десятки мегаджоулей в сфокусированном пятне — это мгновенное испарение любой зеркальной рамки. Плазменный щит чуть реалистичнее: он не давит светом, а создаёт быстрорасширяющуюся ударную волну в воздухе, которая может отклонить объект. Но КПД такого процесса крайне низок, и зеркала должны выдерживать чудовищную лучевую нагрузку.
Итоговый «рецепт» (на уровне концепта)
· Конфигурация: куб из 6 крупногабаритных фазосопряжённых зеркал, создающих три взаимно перпендикулярные пары встречных лучей.
· Количество лучей: 6 основных, каждый с несколькими поднесущими частотами.
· Частоты: 3 длины волны, например 1064 нм, 532 нм, 355 нм (излучение твердотельного лазера с преобразованием во 2-ю и 3-ю гармоники), сгруппированные так, чтобы интерференция между встречными лучами одной длины волны формировала стационарную точку, а лучи разных длин волн давали некогерентный вклад, уплотняющий плазменный сгусток.
· Мощность: петаваттный уровень в импульсе, что пока за пределами мобильных систем.
