Передача звука лазером

Исследователи продемонстрировали, что лазер может передавать звуковое сообщение человеку без какого-либо приемного оборудования. Возможность передавать высокоточные звуковые сигналы по воздуху может использоваться для связи в шумных комнатах или для предупреждения людей об опасной ситуации.

В журнале Optics Letters исследователи из Лаборатории Линкольна при Массачусетском технологическом институте сообщают, что используют два разных лазерных метода для передачи различных тонов, музыки и записанной речи в разговорной речи.

«Наша система может использоваться на некотором расстоянии для передачи информации непосредственно кому-то на ухо», — сказал руководитель исследовательской группы Чарльз М. Уинн. «Это первая система, в которой используются лазеры, полностью безопасные для глаз и кожи, для локализации звукового сигнала для конкретного человека в любой обстановке».

Создание звука из воздуха

Новые подходы основаны на фотоакустическом эффекте, который возникает, когда материал формирует звуковые волны после поглощения света. В этом случае исследователи использовали водяной пар в воздухе, чтобы поглощать свет и создавать звук.

«Это может работать даже в относительно сухих условиях, потому что в воздухе почти всегда мало воды», — сказал Уинн. «Мы обнаружили, что нам не нужно много воды, если мы используем длину волны лазера, которая очень сильно поглощается водой. Это было ключевым, потому что более сильное поглощение приводит к большему количеству звука».

Один из новых методов передачи звука вырос из технологии динамической фотоакустической спектроскопии (DPAS), которую исследователи ранее разработали для химического обнаружения. В более ранней работе они обнаружили, что сканирование лазерного луча со скоростью звука может улучшить химическое обнаружение.

«Скорость звука — это особая скорость, с которой нужно работать», — сказал Райан М. Салленбергер, первый автор статьи. «В новой работе мы показываем, что качание лазерного луча со скоростью звука на длине волны, поглощаемой водой, может использоваться как эффективный способ создания звука».

Для подхода, связанного с DPAS, исследователи изменяют длину лазерных разверток, чтобы кодировать различные частоты или звуковые тона в свете. Одним из уникальных аспектов этой техники лазерного сканирования является то, что сигнал можно услышать только на определенном расстоянии от передатчика. Это означает, что сообщение может быть отправлено конкретному человеку, а не каждому, кто пересекает луч света. Это также открывает возможность нацеливания сообщения нескольким лицам одновременно.

Лабораторные тесты

В лаборатории исследователи показали, что имеющееся в продаже оборудование может передавать звук человеку на расстоянии более 2,5 метров при 60 децибелах, используя технику лазерной развертки. Они считают, что система может быть легко расширена для работы на более длинных расстояний. Они также протестировали традиционный фотоакустический метод, который кодирует звуковое сообщение, модулируя мощность лазерного луча.

«Есть компромисс между этими двумя методами», — сказал Салленбергер. «Традиционный метод фотоакустики обеспечивает звук с более высокой точностью, в то время как лазерная развертка обеспечивает передачу с более громким звуком».

Далее исследователи планируют продемонстрировать методы на открытом воздухе на более дальних дистанциях. «Мы надеемся, что это в конечном итоге станет коммерческой технологией», — сказал Салленбергер. «Есть много интересных возможностей, и мы хотим развивать коммуникационные технологии такими полезными способами».

Ryan M. Sullenberger et al, Photoacoustic communications: delivering audible signals via absorption of light by atmospheric H2O, Optics Letters (2019). DOI: 10.1364/OL.44.000622