УСТРОЙСТВО НАПРАВЛЕННОЙ ТРАНСПОРТИРОВКИ СВЧ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
DEVICE FOR DIRECTED TRANSMISSION OF MICROWAVES

Изобретение относится к технике сверхвысокочастотного (СВЧ) электромагнитного излучения (ЭМИ) и может быть применено в системах передачи информации и транспортировки импульсов ЭМИ, в особенности для обеспечения высокой точности при выборе направления указанных передачи и транспортировки и избирательности в отношении локализации приемников передаваемой информации и транспортируемых импульсов ЭМИ и увеличения их интенсивности на приемниках СВЧ сигнала.
Известны устройства направленной транспортировки СВЧ ЭМИ [1], основанные на применении различных направленных антенн. Недостатками указанных устройств являются, как правило, недостаточно высокая точность при выборе направления указанных передачи и транспортировки, недостаточная избирательность в отношении локализации приемников передаваемой информации и транспортируемых импульсов ЭМИ и недостаточно высокая интенсивность передаваемого СВЧ излучения на приемниках СВЧ сигнала. Известно также устройство [2] направленной транспортировки СВЧ ЭМИ, содержащее титан-сапфировый генератор ультракоротких лазерных импульсов, систему формирования трубчатого лазерного пучка на основе адаптивного зеркала с блоком управления и излучатель передаваемого СВЧ ЭМИ, помещенный непосредственно на выходе указанной системы формирования. Недостатками указанного устройства являются недостаточно большое расстояние, на которое возможна транспортировка СВЧ сигналов, которое достигает всего десятков сантиметров, и недостаточно продолжительное время транспортировки, достигающее всего 10 нс.
Целью данного изобретения является устранение указанных недостатков и увеличение указанного расстояния и указанного времени.
Указанная цель достигается в данном изобретении за счет того, что в известном устройстве направленной транспортировки СВЧ электромагнитного излучения, включающем генератор ультракоротких лазерных импульсов, систему формирования трубчатого лазерного пучка, адаптивное зеркало с блоком управления и излучатель передаваемого СВЧ электромагнитного излучения, указанный генератор лазерных импульсов дополнительно содержит систему умножения частоты генерируемого лазерного излучения, систему формирования цуга импульсов указанного лазерного излучения умноженной частоты, эксимерные лазерные усилители и систему ввода передаваемого СВЧ излучения внутрь пространства трубчатого лазерного пучка, для формирования которого предназначено предлагаемое устройство, а указанная система формирования трубчатого лазерного пучка представляет собой телескопы, состоящие из сферических или параболических и конических оптических элементов, и при этом адаптивное зеркало установлено после эксимерных лазерных усилителей перед системой формирования трубчатого лазерного пучка, а непосредственно после указанной системы формирования установлен делитель пучка с датчиком волнового фронта, соединенным с блоком управления указанным адаптивным зеркалом, и также за счет того, что указанный генератор представляет собой титан-сапфировый генератор ультракоротких лазерных импульсов, указанная система умножения частоты представляет собой утроитель частоты, указанная система формирования цуга представляет собой систему из двух плоских параллельных полупрозрачных зеркал, эксимерные усилители представляют собой криптон-фторовые лазерные усилители с накачкой электронным пучком, система формирования трубчатого лазерного пучка представляет собой телескопы из двух сферических и двух конических линз, а система ввода представляет собой трансформатор мод СВЧ излучения, рупорный СВЧ излучатель, расположенный вне внутреннего пространства трубчатого лазерного пучка, для формирования которого предназначено предлагаемое устройство и металлическое поворотное СВЧ зеркало, помещенное внутри указанного внутреннего пространства.
На Фиг.1 изображена схема предлагаемого устройства, где
1 - генератор ультракоротких лазерных импульсов;
2 - система умножения частоты;
3 - система формирования цуга ультракоротких лазерных импульсов;
4 - эксимерные лазерные усилители;
5 - адаптивное деформируемое зеркало с блоком управления;
6 - система формирования трубчатого лазерного пучка;
7 - сформированный трубчатый лазерный пучок;
8 - делитель пучка и датчик волнового фронта;
9 - генератор передаваемого СВЧ ЭМИ;
10 - система ввода СВЧ ЭМИ в трубчатый лазерный пучок.
На Фиг.2 изображена система 6 формирования трубчатого лазерного пучка, где
11 - лазерный пучок круглого сечения;
12 - линзовый телескоп;
13 - телескоп из двух аксиконов;
7 - трубчатый лазерный пучок.
На Фиг.3 изображена система 10 ввода СВЧ ЭМИ в трубчатый лазерный пучок, где
9 - генератор передаваемого СВЧ ЭМИ;
14 - трансформатор мод;
15 - рупорный антенный СВЧ излучатель;
16 - металлическое поворотное СВЧ зеркало;
7 - трубчатый лазерный пучок;
17 - СВЧ излучение внутри плазменного волновода.
Предлагаемое устройство функционирует следующим образом. Указанный генератор 1 ультракоротких лазерных импульсов (Фиг.1), например титан-сапфировый, выдает последовательность лазерных импульсов с длительностью несколько десятков фс, с частотой повторения несколько Гц, с энергией в импульсе несколько мДж и с длиной волны около 744 нм. Далее указанная последовательность лазерных импульсов поступает в систему 2 умножения частоты (Фиг.1), например в утроитель частоты (генератор третьей гармоники), построенный на базе нелинейных кристаллов, который преобразует каждый импульс указанной последовательности в ультрафиолетовый (УФ) импульс с длиной волны около 248 нм. Переход от инфракрасных лазерных импульсов, генерируемых указанным генератором 1 ультракоротких лазерных импульсов, к УФ импульсам, получаемым с помощью системы 2 умножения частоты, позволяет более эффективно ионизировать воздух при создании трубчатого плазменного волновода за счет большей энергии УФ кванта и больших эффективных поперечных сечений процессов ионизации для квантов УФ диапазона. Далее указанные импульсы поступают в систему 3 формирования цуга ультракоротких лазерных импульсов (Фиг.1), которая представляет собой, например, оптический резонатор из двух параллельных полупрозрачных зеркал, с таким расстоянием между зеркалами, чтобы время двойного прохода лазерного импульса между ними было несколько нс. При каждом отражении от выходного зеркала часть энергии лазерного импульса выходит наружу резонатора, формируя, таким образом, цуг ультракоротких лазерных импульсов, следующих друг за другом через указанное время двойного прохода лазерного импульса, и интенсивность которых постепенно уменьшается от импульса к импульсу. Использование указанных цугов вместо одиночных ультракоротких лазерных импульсов позволяет увеличить продолжительность существования плазменного волновода и, следовательно, продолжительность транспортировки СВЧ излучения. Период следования импульсов выбирается меньшим, чем время жизни свободного электрона в воздухе, которое составляет порядка 5 нс [3]. Указанные цуги ультракоротких лазерных импульсов усиливаются в эксимерных лазерных усилителях 4 (Фиг.1), например в криптон-фторовых усилителях с электронно-пучковой накачкой, которые работают на длине волны 248 нм. Время восстановления инверсной населенности в таких усилителях 4 составляет около 2 нс, что позволяет усиливать указанные цуги ультракоротких лазерных импульсов до пиковых мощностей порядка десятков ТВт в каждом импульсе указанного цуга, что экспериментально показано авторами. Длительность накачки таких усилителей 4 определяется импульсным высоковольтным источником питания и составляет, как правило, сотни нс, что позволяет усиливать цуги ультракоротких лазерных импульсов соответствующих длительностей.
После эксимерных лазерных усилителей 4 установлено адаптивное деформируемое зеркало 5 (Фиг.1), которое служит для коррекции фазовых искажений пучка. Пройдя через эксимерные лазерные усилители 4 и отразившись от указанного адаптивного зеркала 5, цуг усиленных импульсов поступает в систему 6 формирования трубчатого лазерного пучка (Фиг.1), которая представляет собой, например, систему из линзового телескопа 12 (по меньшей мере двух сферических или параболических оптических элементов, например линз) и телескопа 13, состоящего из по меньшей мере двух аксиконов (конических оптических элементов, например линз) (Фиг.2). Линзовый телескоп 12 уменьшает радиус пучка, вышедшего из эксимерных усилителей до значения, соответствующего толщине стенки формируемого трубчатого пучка, а телескоп 13 из аксиконов формирует трубчатый лазерный пучок 7. При этом толщина стенки трубчатого лазерного пучка 7 определяется радиусом пучка, сформированного линзовым телескопом 12, его диаметр - расстоянием между аксиконами, а угол его расхождения - соотношением углов при вершинах аксиконов. При применении адаптивного зеркала 5 далее устанавливается делитель пучка 8, представляющий собой, например, прозрачную плоскопараллельную пластину, который отводит малую часть пучка на датчик волнового фронта, способный измерять фазовые искажения пучка. Электронный сигнал с датчика волнового фронта поступает в блок управления адаптивным зеркалом 5, в котором по нему рассчитывается деформация адаптивного зеркала, необходимая для коррекции измеренных фазовых искажений пучка, и посылается соответствующий сигнал на само адаптивное зеркало 5, которое деформируется соответствующим образом. Это позволяет к моменту прихода следующего цуга ультракоротких импульсов исправить аберрации оптических элементов, уменьшить присущую лазеру расходимость пучка и в результате получить трубчатый пучок, способный распространяться на большие расстояния, сохраняя форму своего сечения.
12
13
-3
Указанная схема формирования трубчатого лазерного пучка 7 была экспериментально апробирована авторами. Как показывают расчеты, пиковая мощность лазерного излучения в стенке такого трубчатого пучка 7 многократно превышает критическую [3], что приводит к филаментации лазерного излучения, т.е. пучок распадается на множество нитей-филамент, в которых, как показано в литературе и авторами, происходит эффективная двухквантовая ионизация воздуха. Расстояние между отдельными филаментами много меньше длины волны каналируемого СВЧ излучения [2], что позволяет рассматривать такую стенку как сплошной слой плазмы, обладающий усредненной проводимостью и диэлектрической проницаемостью. Расчеты авторов показывают, что при диаметре волновода, много большем, чем длина волны СВЧ излучения, и толщине стенки порядка длины волны такой волновод может транспортировать СВЧ излучение, идущее под малыми углами к оси волновода, даже при концентрациях электронов в стенках около 10-10 см, что намного меньше, чем в известном устройстве [2]. При этом рассчитано, что длина затухания СВЧ излучения в таком волноводе составляет порядка сотен метров, что существенно превышает параметры устройства [2]. Эффект транспортировки СВЧ излучения в таком плазменном волноводе подтвержден авторами экспериментально.
11
Генератор СВЧ излучения (Фиг.1) представляет собой мощный источник СВЧ излучения, например виркатор, либо источник СВЧ излучения малой мощности, например магнетрон или клистрон, а система ввода СВЧ излучения в трубчатый лазерный пучок (Фиг.3) представляет собой, например, отрезок волновода, трансформатор 14 мод [1] и металлическое поворотное зеркало 16 для волн СВЧ диапазона, установленное внутрь пространства, ограниченного стенками трубчатого лазерного пучка, который формируется в процессе работы предлагаемого устройства. Трансформатор 14 мод переводит моду СВЧ поля, генерируемую генератором 9 СВЧ, в моду, оптимальную для транспортировки в создаваемом плазменном волноводе. Авторами рассчитано, что низшие моды круглого диэлектрического или металлического волновода, например мода Н круглого металлического волновода [1], наиболее близки к собственным модам плазменного волновода, которые распространяются в нем с наименьшим затуханием. Эффект распространения некоторых мод СВЧ излучения в указанном плазменном волноводе с относительно низким затуханием основан на малости углов, под которыми СВЧ волна падает на стенку указанного волновода (скользящие углы), вследствие чего СВЧ волна эффективно отражается от стенки. Все компоненты СВЧ волны, падающие на стенку под большими углами (моды с большой поперечной составляющей волнового вектора), проходят сквозь нее в свободное пространство или поглощаются в стенке и не поддерживаются волноводом. Применение трансформатора 14 мод, дающего на выходе одну из указанных мод, эффективно распространяющихся в указанном волноводе, позволяет повысить КПД использования мощности генератора 9 СВЧ излучения, и таким образом повысить плотность мощности СВЧ излучения на приемнике. СВЧ излучение после выхода из рупорной антенны 15 проходит сквозь стенку плазменного волновода (Фиг.3), однако, как показывают расчеты авторов, отражение СВЧ мощности от нее мало. Малое отражение обусловлено невысокой электронной плотностью в стенке и тем, что СВЧ излучение падает на нее под углами, близкими к нормали, а достаточно эффективное отражение СВЧ излучения от слоя плазмы с указанной невысокой плотностью возможно лишь при очень малых (скользящих) углах падения, что и используется в реализации данного устройства. Поглощения СВЧ мощности в указанном слое плазмы также мало из-за его малой толщины и малой плотности.
Расстояние, на которое транспортируется СВЧ излучение в указанном плазменном волноводе, составляет порядка сотен метров, и при этом плотность мощности на приемнике в 10 и более раз превышает плотность мощности при распространении СВЧ излучения в свободном пространстве. Также указанный плазменный волновод позволяет многократно улучшить избирательность в отношении места расположения приемников СВЧ излучения по сравнению с распространением в свободном пространстве, а длительность транспортировки СВЧ излучения увеличивается до масштабов порядка 1 мкс.
Пример реализации предлагаемого устройства
2
2
2
Предлагаемое устройство реализуется, наример, следующим образом: титан-сапфировый лазер модели МРА (Avesta Project Ltd.) генерирует лазерные импульсы с длительностью около 50 фс, с частотой повторения около 10 Гц, с энергией в импульсе около 10 мДж и с длиной волны около 744 нм, которые поступают на утроитель частоты, представляющий собой генератор третьей гармоники модели ATsG800 (Avesta Project Ltd.), который преобразует указанные импульсы в импульсы с длиной волны 248 нм. Эти импульсы поступают в оптический резонатор, представляющий собой систему из двух плоских параллельных зеркал, отстоящих друг от друга на расстояние 30 см и имеющих прозрачность 20%, в результате каждый из указанных импульсов многократно отражается от зеркал, при этом время его прохода между зеркалами составляет 1 нс. При каждом отражении от выходного зеркала часть энергии импульса выходит наружу резонатора, формируя, таким образом, цуг ультракоротких лазерных импульсов, следующих друг за другом через 2 нс, интенсивность которых постепенно уменьшается от импульса к импульсу. Сформированные таким образом цуги ультракоротких лазерных импульсов последовательно усиливаются в двух криптон-фторовых лазерных усилителях с апертурами 10×10 см и 30×30 сми длиной 1 м, накачиваемых электронными пучками с длительностью импульса 100 нс и с частотой повторения 10 Гц. Усилитель представляет собой камеру прямоугольного сечения, заполненную смесью аргона, криптона и фтора при полном давлении 1,5 атм. На торцах указанной камеры размещены оптические окна, а электронный пучок вводится через вакуумно-плотную фольгу, отделяющую камеру от электронных ускорителей. Охлаждение газа происходит за счет его принудительной циркуляции через теплообменник. Цуги импульсов проходят через усилители дважды, отражаясь от глухих зеркал на торцах усилителей, в результате чего на выходе оконечного усилителя достигается плотность энергии излучения 10 мДж/см для одного ультракороткого лазерного импульса и 500 мДж для цуга из 50 ультракоротких лазерных импульсов, соответствующего импульсу накачки около 100 нс. Полная энергия лазерного излучения в одном цуге составляет порядка 500 Дж. Система питания электронных ускорителей построена на основе генераторов высоковольтных импульсов, обеспечивающих энергию накачки 1 кДж в первом усилителе и 10 кДж во втором с КПД преобразования энергии накачки в энергию лазерного излучения 5% [4]. Указанные генераторы содержат емкостные накопители и коммутирующие блоки и осуществляют сжатие запасенной энергии во времени с помощью магнитного элемента, работающего в ключевом режиме, с последующим обострением за счет прерывания тока диодами.
За криптон-фторовыми усилителями установлена диафрагма, преобразующая лазерный пучок квадратного сечения размером 30×30 см в пучок круглого сечения диаметром 30 см. За диафрагмой расположено адаптивное зеркало 5 диаметром 35 см, снабженное блоком управления, который рассчитывает необходимые деформации по сигналам с датчика волнового фронта и вырабатывает соответствующие управляющие электрические сигналы.
Пройдя через эксимерные лазерные усилители 4 и отразившись от адаптивного зеркала 5, цуг усиленных импульсов поступает в систему 6 формирования трубчатого лазерного пучка, которая представляет собой систему из линзового телескопа 12 и телескопа 13, состоящего из двух аксиконов (конических линз). Линзовый телескоп 12 состоит из положительной линзы диаметром 35 см с фокусным расстоянием 10 м и отрицательной линзы диаметром 3,5 см и фокусным расстоянием 1 м, расположенных на расстоянии 9 м, и уменьшает радиус пучка, вышедшего из эксимерных усилителей 4 до 1,5 см, что определяет толщину стенки трубчатого лазерного пучка. Телескоп 13 из аксиконов состоит из аксикона диаметром 3,5 см с углом при вершине 9° и аксикона диаметром 35 см с углом при вершине также 9°, расстояние между аксиконами равно 205 см, что обеспечивает радиус трубчатого лазерного пучка, равный 30 см. За телескопом 13 из аксиконов установлен делитель 8 пучка, представляющий собой плоскопараллельную пластину, который отводит часть энергии на датчик волнового фронта, сигнал с которого используется для коррекции фазовых искажений в последующих цугах импульсов.
13
-3
11
Сформированный таким образом трубчатый лазерный пучок 7 ионизирует воздух на трассе распространения и создает полый плазменный волновод кольцевого сечения с плотностью свободных электронов порядка 10 см, накапливаемой за счет воздействия цуга ультракоротких лазерных импульсов. В указанный плазменный волновод направляется СВЧ излучение с помощью системы ввода, которая представляет собой импульсный магнетрон, генерирующий импульсы СВЧ излучения с длиной волны 8 мм, с пиковой мощностью 20 кВт и длительностью 100 нс, трансформатор 14 мод СВЧ излучения, формирующий моду Н круглого металлического волновода, рупорный антенный излучатель 15 и поворотное металлическое СВЧ зеркало 16, помещенное внутрь указанного плазменного волновода.
Расстояние, на которое транспортируется СВЧ излучение в указанном плазменном волноводе, составляет порядка 1 км, плотность мощности на приемнике примерно в 10 раз превышает плотность мощности при распространении СВЧ излучения в свободном пространстве, а длительность транспортировки СВЧ излучения составляет порядка 100 нс.
Полученные результаты существенно превышают результаты, полученные при применении устройства-прототипа и таким образом подтверждают работоспособность предложенного устройства и достижение поставленных целей.
Литература
1. X.Мейнке, Ф.В.Гундлах. "Радиотехнический справочник", т.1, Государственное энергетическое издательство, М., Л., 1961.
2. М.Chateauneuf, S.Payeur, J.Dubois, J.-C.Kieffer. "Microwave guiding in air by a cylindrical filament array waveguide", Appl. Phys. Letts., v.92, paper 091104 (2008).
3. N.Khan, N.Mariun, I.Arts, J.Yeak. "Laser-triggered lightning discharge", New J. of Phys., v.4, pp.61.1-61.20 (2002).
4. М.С.Myers, J.D.Sethian, J.L.Jiuliani, R.Lehmbrg, P.Kepple, М.F.Wolford, F.Hegeler, М.Friedman, T.C.Jones, S.B.Swanekamp, D.Weidenheimer, D.Rose. "Repetitively pulsed, high energy KrF lasers for inertial fusion energy", Nucl. Fusion, v.44, pp.S247-S253 (2004).