СПОСОБ НАПРАВЛЕННОЙ ТРАНСПОРТИРОВКИ СВЧ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
METHOD FOR DIRECTIONAL TRANSPORTATION OF MICROWAVE ELECTROMAGNET RADIATION

Изобретение относится к технике сверхвысокочастотного (СВЧ) электромагнитного излучения и может быть применено в системах передачи информации и транспортировки импульсов электромагнитного излучения (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. Известны способы направленной передачи СВЧ-сигналов путем использования параболических или сегментированных передающих антенн [1].
Недостатками указанных известных способов являются, как правило, недостаточно высокая точность при выборе направления указанных передачи и транспортировки и недостаточная избирательность в отношении локализации приемников передаваемой информации и транспортируемых импульсов ЭМИ, и, как следствие, недостаточно высокая интенсивность сигнала на приемниках передаваемого СВЧ-излучения.
Известен также предложенный в [2] способ направленной транспортировки СВЧ электромагнитного излучения, включающий создание плазменного волновода трубчатой формы путем пропускания в заданном направлении лазерного излучения ультрафиолетового диапазона вдоль стенок указанного создаваемого волновода, поддержание существования указанного волновода в течение времени указанной транспортировки путем пропускания дополнительного лазерного излучения в диапазоне длин волн видимого света в указанном направлении вдоль стенок указанного волновода и транспортировку указанного СВЧ-излучения по указанному волноводу в режиме скользящей моды колебаний, который выбран в качестве прототипа данного изобретения.
Недостатком указанного предложенного способа-прототипа является то, что скользящий режим распространения СВЧ-излучения предсказан на основе простых оценок, не дающих дальности распространения передаваемого излучения по указанному волноводу, и без учета неизвестного в то время эффекта филаментации лазерных пучков для импульсов ультракороткой (фемто и пикосекундной) длительности, что приводит к невысокой надежности направленной транспортировки СВЧ-излучения при реализации указанного способа.
2
Целью данного изобретения является устранение указанных недостатков и повышение надежности направленной транспортировки СВЧ - электромагнитного излучения. Поставленная цель достигается в данном предлагаемом изобретении за счет того, что в известном способе, включающем создание плазменного волновода трубчатой формы путем пропускания в заданном направлении лазерного излучения ультрафиолетового диапазона вдоль стенок указанного создаваемого волновода, поддержание существования указанного волновода в течение времени указанной транспортировки путем пропускания дополнительного лазерного излучения видимого диапазона в указанном направлении вдоль стенок указанного волновода и транспортировку указанного СВЧ-излучения по указанному волноводу в режиме скользящей моды колебаний, в указанном направлении пропускают цуг следующих друг за другом с интервалом 2-10 не импульсов филаментированного лазерного излучения ультрафиолетового диапазона так, что указанный цуг служит для создания указанного трубчатого волновода и при этом мощность импульсов указанного цуга и их число выбирают из условия: расстояние между филаментами указанного лазерного излучения ультрафиолетового диапазона меньше длины волны указанного транспортируемого СВЧ-излучения на любом участке периметра указанного трубчатого волновода в любом его сечении; а также за счет того, что в известном способе, включающем создание плазменного волновода трубчатой формы путем пропускания в заданном направлении лазерного излучения ультрафиолетового диапазона вдоль стенок указанного создаваемого волновода, поддержание существования указанного волновода в течение времени указанной транспортировки путем пропускания дополнительного лазерного излучения в указанном направлении вдоль стенок указанного волновода и транспортировку указанного СВЧ-излучения по указанному волноводу в режиме скользящей моды колебаний, в указанном направлении пропускают цуг следующих друг за другом с интервалом 2-10 нс импульсов филаментированного лазерного излучения ультрафиолетового диапазона так, что первые несколько импульсов указанного цуга служат для создания указанного трубчатого волновода, а последующие импульсы указанного цуга поддерживают существование указанного канала транспортировки СВЧ излучения и при этом мощность импульсов указанного цуга и их число выбирают из условия: расстояние между филаментами указанного лазерного излучения ультрафиолетового диапазона меньше длины волны указанного транспортируемого СВЧ излучения на любом участке периметра указанного трубчатого волновода в любом его сечении и за счет того, что для поддержания существования указанного волновода используют цуг импульсов лазерного излучения ультрафиолетового диапазона мощности, достаточной для подавления эффекта прилипания электронов к молекулам О и за счет того, что указанный цуг импульсов филаментированного лазерного излучения состоит из импульсов с длительностью около 1 пикосекунды и с длиной волны λ, равной 353 нм или 308 нм, или 248 нм, или 222 нм, или 193 нм с разбросом по длине волны около 2 нм.
На Фиг.1 показано схематичное изображение распространения СВЧ- излучения в цилиндрическом плазменном волноводе.
СВЧ
На Фиг.2 приведена длина затухания скользящей моды в плазменном волноводе с различными радиусами R для длины волны СВЧ-излучения λ=8 мм.
e
13
-3
13
-3
12
-3
На Фиг.3 приведена длина затухания скользящей моды в плазменном волноводе в субмиллиметровом диапазоне длин волн при плотности электронов N=5*10 см (а), 10 см (b) и 10 см (с).
СВЧ
На Фиг.4 приведено отношение интенсивностей СВЧ-излучения (λ=8 мм) в виртуальном волноводе к интенсивности при свободном распространении для различных размеров передающей антенны (излучателя).
На Фиг.5 изображена схема эксперимента по демонстрации направленной транспортировки СВЧ излучения в полом плазменном волноводе, где
1 и 2 - положительная и отрицательная линзы телескопа;
3 и 4 - телескоп из конических линз-аксиконов;
5 - магнетрон с волноводом и рупорным излучателем;
6 - детектор СВЧ-излучения;
7 - приемник лазерного излучения.
На Фиг.6 показано схематичное представление процесса накопления электронов (внизу) в плазме при многофотонной ионизации воздуха цугом пикосекундных импульсов (вверху).
СВЧ
СВЧ
СВЧ
СВЧ
-3
Традиционные способы обеспечения необходимой направленности СВЧ-излучения основаны на использовании больших передающих антенн, характерный размер которых для мобильной установки можно задать величиной D~2 м. Расходимость СВЧ-пучка (по уровню половины от максимальной интенсивности), обусловленная дифракцией на выходной апертуре антенны, составляет в этом случае β≈λ/D. Для длины волны СВЧ-излучения λ~1 см имеем β=5*10 рад. Для уменьшения расходимости требуется увеличение D. Однако увеличение апертуры передающей антенны неизбежно приводит к падению плотности потока передаваемой мощности (интенсивности), компенсировать которую за счет увеличения мощности СВЧ-генератора можно лишь до определенного предела, определяемого порогом пробоя воздуха СВЧ-излучением. Дальность действия L такого генератора может быть оценена на основании формулы [3]
D
eff
где d - характерный размер СВЧ-излучателя (обычно не превосходит ~10 см), и P/P - отношение максимальной плотности мощности сигнала (ограниченной пробоем воздуха) к ее эффективному значению, требуемого для полезного воздействия, и составляет величины порядка нескольких десятков метров, если на объект необходимо доставлять достаточно большую плотность мощности.
B
СВЧ
СВЧ
e
Альтернативой традиционному подходу является транспортировка СВЧ-излучения по искусственному волноводу, созданному в атмосферном воздухе УФ лазерным излучением, имеющем кольцевое поперечное сечение пучка [2]. Так как показатель преломления в ионизованном воздухе меньше, чем в исходном воздухе, то при скользящих углах падения электромагнитного излучения на границу раздела будет наблюдаться эффект полного внутреннего отражения излучения. В цилиндрическом волноводе качественное условие каналирования СВЧ-излучения в геометрическом приближении (справедливом, строго говоря, когда диаметр волновода D>>λ) выполняется, если дифракционный угол расходимости СВЧ-излучения β оказывается меньше угла полного внутреннего отражения θ, определяемого соотношением Cosθ=n, где n - показатель преломления ионизованного газа относительно воздуха, который задается плотностью свободных электронов в ионизованном воздухе N (см. Фиг.1). Та, в свою очередь, определяется балансом рождения электронов в процессах многофотонной ионизации и их гибели при прилипании к молекулам кислорода, электрон-ионной или ассоциативной рекомбинации. Таким образом, концентрация электронов зависит от интенсивности и длины волны УФ лазерного излучения, а также длительности импульса.
e
14
15
-3
Формирование протяженных плазменных структур с высокой плотностью электронов N=10÷10 см и выше, в принципе, позволяет реализовать плазменные СВЧ-волноводы с возбуждением объемных мод наподобие тех, что передаются по металлическим волноводам [4, 5], а также коаксиальные линии и волноводы поверхностных волн [6]. В недавних экспериментах [7] было продемонстрировано каналирование СВЧ-излучения по полому трубчатому волноводу диаметром 45 мм, плазменные стенки которого состояли из многочисленных филамент, возникавших при распространении ультракороткого лазерного импульса с длиной волны излучения λ=800 нм. Однако длина распространения объемной моды СВЧ излучения в таком плазменном волноводе составляла всего 16 см и определялась большим удельным сопротивлением плазмы по сравнению с металлом. Длительность СВЧ-сигнала, переданного по этому волноводу, составляла около 10 нс и определялась характерным временем жизни свободных электронов в филаментах.
Предлагаемый в данной заявке новый способ направленной транспортировки СВЧ электромагнитного излучения сочетает преимущества ультракоротких ультрафиолетовых лазерных импульсов для эффективной ионизации воздуха и создания виртуальных плазменных волноводов с теоретически обоснованным и проверенным экспериментально скользящим режимом распространения СВЧ-излучения по указанному волноводу. Способ включает следующие операции.
11
8
2
2
i
1. Создание плазменного волновода трубчатой формы путем пропускания лазерного излучения ультрафиолетового диапазона вдоль стенок указанного волновода. Ионизация воздуха под действием ультрафиолетового излучения с длиной волны λ=248 нм и энергией квантов hν=5 эВ, как показали наши эксперименты, в диапазоне интенсивностей 10≥I≥3*10 Вт/см происходит преимущественно за счет двухступенчатого процесса ионизации молекул кислорода O, имеющих потенциал ионизации I=12,08 эВ:
2
*
11
2
Здесь O - некоторое промежуточное резонансное возбужденное состояние молекулы. При более высоких интенсивностях I≥10 Вт/см (но ниже порога лавинной ионизации, зависящего от длительности импульса) доминирует прямая трехфотонная ионизация кислорода:
В обоих случаях для ионизации одной молекулы и образования одного свободного электрона затрачивается энергия лазерного излучения ~15 эВ.
Для формирования указанного полого плазменного волновода трубчатой формы в воздухе пропускается лазерный пучок с кольцевым поперечным сечением, формируемый расположенными друг за другом двумя телескопами. Первый сжимает исходный лазерный пучок в пучок с малым радиусом, равным требуемой толщине стенки плазменного волновода ΔR. Второй телескоп формирует требуемый трубчатый лазерный пучок с радиусом R.
L
L
диф
L
-5
-7
Кольцевой лазерный пучок с внутренним радиусом R и шириной кольца ΔR, обладающий расходимостью излучения θ, по мере распространения постепенно "расплывается": его радиус на расстоянии L составляет R≈R+θ·L, а ширина ΔR=ΔR+θL. При θ~10 рад (что много больше дифракционного предела θ=0,61 λ/R=5·10 рад) и L=1 км величина θ·L=1 см. Для исходного радиуса R=30 см и ΔR=1÷2 см радиус канала практически не меняется (R≈R), а ширина кольца увеличивается примерно в два раза, что приводит к уменьшению средней концентрации электронов в стенках волновода. В результате, резкая начальная граница кольца и ступенчатое радиальное распределение концентрации электронов расплываются, и увеличиваются потери на поглощение СВЧ-излучения в стенках плазменного волновода. Однако до тех пор, пока ширина области размытия границ волновода не превышает длину волны СВЧ-излучения, длина затухания СВЧ-сигнала вдоль плазменного волновода существенно не падает. Для компенсации фазовых искажений, вносимых оптическими элементами лазерной схемы, применяется системы коррекции лазерного пучка с помощью адаптивного зеркала.
В продольном (вдоль плазменного волновода) направлении (z) концентрация электронов постепенно уменьшается в соответствии с законом ослабления интенсивности излучения:
в случае доминирования процесса ступенчатой ионизации через промежуточный уровень (2) и
в случае прямой трехфотонной ионизации (3).
2
3
0
2
2
e
2
7
2
13
-3
Здесь K и K - константы скоростей соответствующих процессов фотоионизации , I=I(z=0) - начальное значение интенсивности лазерных импульсов, которое находится из условия наработки требуемой концентрации электронов. В случае доминирования процесса ступенчатой ионизации с константой К=100 см/Втс [8], полагая, что прилипание электронов к молекуле О полностью скомпенсировано обратным процессом фотоотрыва электронов (что справедливо для интенсивности лазерного излучения I≥3*10 Вт/см), получаем, что для создания концентрации электронов N=10 см цугом из n=50 импульсов с длительностью τ=1 пс необходима пиковая интенсивность импульсов:
.
0
2
0
-1
Характерная длина истощения (на которой интенсивность лазерного излучения уменьшается в 2 раза) L=(3hνKI)≈930 м.
e
2
2
16
-3
-
-
2. Поддержание существования плазменного волновода в течение требуемого времени транспортировки СВЧ-излучения обеспечивается пропусканием дополнительного лазерного излучения. Так как основной причиной гибели свободных электронов в воздухе при концентрациях N≤10 см является их прилипание к молекуле кислорода с образованием электроотрицательного молекулярного иона O , то предлагается использовать второй импульс лазерного излучения для поддержания ионизации в слабоионизованной плазме за счет обратного тормозного поглощения, либо фотоотрыва электронов, если энергия квантов больше, чем энергия связи (сродства) электрона в молекулярном ионе hν≥ε. Для О  ε~0,5 эВ и поэтому фотоотрыв электронов возможен для излучения видимого диапазона [9]. Для УФ излучения по сравнению с излучением видимого диапазона сечение процесса возрастает в несколько раз.
3. Транспортировку СВЧ излучения по плазменному волноводу в режиме скользящей моды колебаний. Проведенные нами теоретические расчеты на основании решения дисперсионных уравнений с комплексной диэлектрической проницаемостью воздушной плазмы определили область параметров, в котором реализуется скользящий режим распространения СВЧ излучения. Она определяется параметрами α и β из соотношений
e
T
0
где  - диэлектрическая проницаемость плазмы, характерный параметр задачи . Здесь R есть радиус плазменного волновода,  - характерная плазменная частота, N есть плотность электронов в слабоионизованной плазме, ν - характерная транспортная частота столкновений электронов в плазме (с молекулами воздуха, ионами и электронами плазмы), ω и k - частота и вакуумное волновое число СВЧ-излучения.
Значения величин α и β определяются из численного решения соответствующего дисперсионного уравнения для моды транспортируемого излучения. В частности, для низших аксиально-симметричных мод, в зависимости от значений параметров задачи, оценки дают α~1÷3 и β~0,2÷0,5. Режим скольжения заведомо выполнен при  и µ≥1.
T
T
e
12
-1
В области миллиметровых и субмиллиметровых волн ω<<ν (характерные значения транспортной частоты столкновений электронов слабоионизованной плазмы с нейтральными молекулами атмосферного воздуха ν~(1÷10)×10 c в зависимости от температуры электронов, (T~0,026÷1,5 эВ) и соотношения (6) можно представить в виде (полагая α=1, β=0)
T
СВЧ
В области высоких частот ω>>ν первое условие в (6) всегда выполняется, и остается лишь второе условие, которое может быть представлено (поскольку µ уже не зависит от длины волны λ) в вид
СВЧ
СВЧ
e
13
-3
Вычисления, проведенные для волноводов с различными радиусами R и длины волны СВЧ-излучения λ=8 мм, показаны на Фиг.2. Для фиксированной длины волны излучения с λ=8 мм длина затухания (на которой интенсивность СВЧ-излучения уменьшается в е раз) возрастает с увеличением радиуса волновода и концентрации электронов, достигая ~800 м при N=10 см и R=30 см. Показано также, что для таких концентраций электронов толщина стенки волновода может не превышать 1 см. Длина затухания увеличивается с уменьшением длины волны и для субмиллиметровых волн достигает нескольких километров (Фиг.3).
Дальность воздействия в случае каналирования СВЧ-излучения в плазменном волноводе в режиме скользящих мод многократно превышает дальность воздействия при свободном распространении, полученную по формуле (1).
СВЧ
Отношение интенсивностей СВЧ-излучения, передаваемой по виртуальному плазменному волноводу, к интенсивности при распространении в свободном пространстве для различных размеров передающей антенны и одинаковой мощности СВЧ-генератора (λ=8 мм) показано на Фиг.4. Видно, что даже при больших размерах антенны ~2 м в случае транспортировки излучения по виртуальному волноводу достигается более чем 10-кратный выигрыш в интенсивности, причем виртуальный волновод имеет преимущество на расстояниях более 1 км.
СВЧ
e
12
-3
Режим скользящего распространения СВЧ-излучения в трубчатом плазменном волноводе получил экспериментальное подтверждение в наших экспериментах (см. Фиг.5). Генерируемое импульсным магнетроном излучение с длиной волны λ=8 мм вводилось с помощью рупорной антенны в плазменный волновод с R=60 мм и ΔR=10 мм, в стенках которого с помощью излучения KrF лазера с длиной волны λ=248 нм создавалась концентрация электронов N~10 см. В течение 100-нс лазерного импульса на приемнике СВЧ, установленном на расстоянии до 60 м от рупорного излучателя наблюдалось значительное увеличение амплитуды сигнала СВЧ, связанное с каналлированием излучения в плазменном волноводе.
0
e
10
2
2
3
16
-3
4. Для создания полого плазменного волновода используется цуг ультрафиолетовых импульсов пикосекундного диапазона длительностей и с высокой пиковой интенсивностью I~4,5*10 Вт/см, следующих с интервалом 2-10 нс (см. Фиг.6), что позволяет более эффективно ионизовать воздух в каждом из импульсов цуга, так как вероятности процессов многофотонной ионизации (2) и (3) пропорциональны, соответственно ∞ I и ∞ I, и накапливать концентрацию электронов от импульса к импульсу. Интервал между импульсами цуга выбран таким образом, чтобы, с одной стороны, он был больше времени восстановления инверсии населенностей (усиления) в активной среде эксимерного усилителя (~2 нс) [10], используемого для усиления цуга, а с другой стороны - был меньше характерного времени прилипания электронов (~10 нс) к молекулам кислорода, которое является основным механизмом потерь электронов в диапазоне концентраций N<10 см.
0
0
кр
e
e
10
2
8
15
16
-3
13
-3
Так как пикововая мощность отдельных импульсов в цуге Р=2πRΔRI=8,5 ТВт (R=30 см, ΔR~1 см, I=4,5*10 Вт/см) на много порядков превышает критическую величину для филаментации ультрафиолетового лазерного излучения Р≈10 Вт [11], то трубчатый пучок будет состоять из множества филаментов, среднее расстояние между которыми много меньше длины волны указанного транспортируемого СВЧ-излучения на любом участке периметра указанного трубчатого волновода в любом его сечении, а локальная концентрация электронов в которых N~3*10÷10 см - будет существенно превышать среднее значение N~10 см. При этом полная энергия лазерного излучения в цуге из 50 импульсов составляет ~430 Дж.
10
2
8
8
2
-
кр
2
5. Первые несколько ультрафиолетовых импульсов из цуга пикосекундных импульсов с высокой интенсивностью I~4,5*10 Вт/смиспользуются для создания и накопления необходимой концентрации электронов в плазменном волноводе с использованием эффекта филаментации лазерного пучка, развивающейся при существенном превышении мощности излучения над критической Р≈10 Вт и, как следствие, при расстоянии между филаментами меньше длины волны СВЧ-излучения. Последующие импульсы с меньшей пиковой интенсивностью I~10 Вт/см служат для поддержания ионизации в указанном волноводе в течение времени, требуемого для передачи СВЧ сигнала за счет эффекта фотоотрыва электронов от молекул O .
6. Для усиления цуга пикосекундных импульсов ультрафиолетового диапазона, создающих полый плазменный волновод, используются широкоапертурные усилители с накачкой электронным пучком на различных эксимерных молекулах: ArF (длина волны λ=193 нм), KrCl (λ=222 нм), KrF (λ=248 нм), XeCl (λ=308 нм), XeF (λ=353 нм). Все они имеют высокую эффективность усиления и малые времена восстановления усиления в активной среде (порядка нескольких не), а также короткую длину волны излучения, позволяющую ионизовать воздух за счет процессов многофотонной ионизации.
Пример реализации
2
Предлагаемый способ реализуется следующим образом: титан-сапфировый лазер генерирует лазерные импульсы с длительностью несколько десятков фс, с частотой повторения несколько Гц и с энергией в импульсе несколько мДж, и с длиной волны около 744 нм, которые утраиваются по частоте излучения до длины волны 248 нм. Указанные импульсы преобразуются в цуг, например в оптическом резонаторе, следующих друг за другом через несколько нс. Сформированные таким образом цуги ультракоротких лазерных импульсов последовательно усиливаются в двух криптон-фторовых лазерных усилителях, накачиваемых, например, электронными пучками с длительностью импульсов в несколько сотен нс, в результате чего на выходе оконечного усилителя достигается плотность энергии излучения 10 мДж/см для одного ультракороткого лазерного импульса и порядка 500 мДж для цуга из, например, 50 ультракоротких лазерных импульсов. Полная энергия лазерного излучения в одном цуге составляет порядка 500 Дж.
13
-3
11
После эксимерных лазерных усилителей из цуга усиленных импульсов с помощью оптических элементов формируется трубчатый лазерный пучок. Сформированный трубчатый лазерный пучок ионизует 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 с помощью системы ввода направляется СВЧ-излучение. С помощью трансформатора мод формируется объемная мода Н СВЧ-излучения, наиболее близкая к скользящей моде указанного плазменного волновода.
Расстояние, на которое транспортируется СВЧ-излучение в указанном плазменном волноводе, составляет порядка 1 км, а плотность мощности на приемнике примерно в 10 раз превышает плотность мощности при распространении СВЧ-излучения в свободном пространстве, длительность транспортировки СВЧ-излучения может достигать нескольких сотен нс.
Теоретический анализ работы формируемого плазменного волновода, подтвержденный экспериментально, обеспечивает высокую надежность направленной транспортировки СВЧ электромагнитного излучения, выполняемой предложенным способом.
Источники информации