Hình ảnh minh họa của tia laser (Ảnh: Interesting Engineering).
Các nhà khoa học Trung Quốc vừa công bố một bước đột phá mới trong lĩnh vực công nghệ quốc phòng, khi phát triển thành công thiết bị laser công suất cao có thể hoạt động ổn định trong dải nhiệt độ cực rộng, từ –50°C ở Bắc Cực đến 50°C ở sa mạc Sahara mà không cần hệ thống làm mát hay sưởi ấm.
Công nghệ này được kỳ vọng sẽ mở ra những ứng dụng rộng rãi trong cả lĩnh vực quân sự và công nghiệp, đồng thời khẳng định vị thế của Trung Quốc trong cuộc đua công nghệ laser toàn cầu.
Thiết kế nhỏ gọn, hiệu suất cao trong điều kiện khắc nghiệt
Thiết bị do nhóm nghiên cứu tại Đại học Công nghệ Quốc phòng Quốc gia (NUDT) phát triển, dưới sự chỉ đạo của GS Chen Jinbao, chuyên gia đoạt giải thưởng quốc gia về công nghệ laser năng lượng cao.
Theo công bố, hệ thống laser này có công suất 2 kilowatt, nhưng lại có kích thước chỉ bằng một chiếc vali, thay vì phải cần đến cả container vận hành như các thiết bị tương đương do châu Âu hay Ấn Độ sản xuất.
Hệ thống vũ khí laser HELMA-P được thiết kế để chống vật thể bay không người lái (UAV) của Pháp (Ảnh: Edrmagazine).
Điểm nổi bật của thiết bị nằm ở khả năng hoạt động liên tục và ổn định trong môi trường nhiệt độ dao động đến 100°C, điều vốn là thách thức lớn nhất trong công nghệ laser.
Trong khi các hệ thống hiện tại buộc phải tích hợp các bộ làm mát hoặc sưởi nhiệt, thiết bị của Trung Quốc hoàn toàn không cần đến những phần cứng cồng kềnh này, nhờ vào thiết kế quang học tối ưu và khả năng kiểm soát nhiệt độ nội tại.
Thử nghiệm trong phòng thí nghiệm mô phỏng điều kiện từ Bắc Cực đến sa mạc cho thấy thiết bị duy trì công suất vượt mức 2kW, thậm chí đạt đỉnh 2,47kW tại 20°C, với hiệu suất chuyển đổi năng lượng lên đến 71% và chất lượng chùm tia gần như hoàn hảo.
Bí quyết từ vật liệu đất hiếm và thiết kế đột phá
Đột phá này đạt được nhờ một loạt giải pháp thiết kế quan trọng. Laser sử dụng tia bơm 940 nanomet có độ trôi nhiệt thấp, truyền ánh sáng thông qua 27 diode sợi quang, và tích hợp cuộn sợi pha lẫn ytterbium – nguyên tố đất hiếm do Trung Quốc kiểm soát phần lớn trữ lượng toàn cầu.
Theo SCMP, cấu trúc lượng tử đặc biệt của ytterbium cho phép chuyển đổi năng lượng hiệu quả mà không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ môi trường.
Cấu trúc lượng tử đặc biệt của nguyên tố đất hiếm ytterbium giúp hệ thống laser vượt qua những rào cản kỹ thuật kéo dài hàng thập kỷ (Ảnh: SE).
Trong đó, cấu trúc trung tâm của thiết bị là bộ cộng hưởng quang học 2 lớp, sử dụng mạng phản xạ ở hai đầu sợi quang để khuếch đại chùm photon thành tia laser 1.080 nanomet – bước sóng có khả năng gây sát thương cao.
Thiết kế này không chỉ tăng hiệu suất phát xạ, mà còn ngăn chặn tình trạng nhiễu sáng, duy trì độ ổn định trong suốt quá trình vận hành.
Theo nhóm nghiên cứu, khả năng hoạt động trong điều kiện nhiệt độ rộng sẽ đóng vai trò then chốt trong tương lai, khi laser sợi quang được ứng dụng ngày càng nhiều trong cắt chính xác, đối phó quang điện tử, và các công nghệ công nghiệp lẫn quốc phòng khác.
“Chúng tôi sẽ tiếp tục mở rộng phạm vi nghiên cứu thực nghiệm, hướng đến nâng cao công suất đầu ra và tăng dải nhiệt độ hoạt động, phù hợp với nhu cầu triển khai ngoài thực địa ở mọi điều kiện môi trường", nhóm tác giả cho biết.
