СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ИЛИ БОЛЕЕ НИЗКОЧАСТОТНОГО ДИАПАЗОНА В ЭНЕРГИЮ ВОЛНОВЫХ ВОЗБУЖДЕНИЙ НЕЛИНЕЙНОЙ СРЕДЫ Российский патент 1998 года по МПК G02F1/35 

Изобретение относится к способам преобразования энергии оптического или более низкочастотного электромагнитного излучения в различные виды энергии в зависимости от видов волновых возбуждений нелинейной среды: молекулярные, акустические, электрические, температурные, плазменные волновые возбуждения и т. п. и может быть использовано в плазменной электронике для генерации и усиления электромагнитных СВЧ-колебаний или волн, для нагрева нелинейной среды, в том числе плазмы.

Известен способ преобразования энергии интенсивного оптического монохроматического, например лазерного, излучения в энергию волновых возбуждений нелинейной среды, состоящий в пропускании через нелинейную среду интенсивного когерентного лазерного излучения. В основе этого способа лежит явление вынужденного рассеяния света [1]
В данном случае для эффективного преобразования энергии должно осуществляться условие синхронизма для взаимодействующих в нелинейной среде падающей лазерной волны, рассеянной лазерной волны и волновых возбуждений, наводимых в среде.

Рассматриваемый способ позволяет производить преобразование энергии исходного интенсивного оптического (лазерного) излучения в энергию различных волновых возбуждений нелинейной среды в зависимости от вида вынужденного рассеяния. В частности, при вынужденном комбинационном рассеянии (ВКР) происходит преобразование в энергию молекулярных волновых возбуждений нелинейной среды, при вынужденном рассеянии Мандельштамма-Бриллюэна (ВРМБ) происходит преобразование в энергию акустических волновых возбуждений и т.п.

Однако этот способ обладает малым КПД преобразования энергии интенсивного оптического (лазерного) излучения в энергию волновых возбуждений нелинейной среды (как правило КПД преобразования меньше сотых долей процента) и, кроме того, для оптического излучения с широким спектром преобразование энергии вышеуказанным способом невозможно.

Известен способ преобразования энергии оптического излучения в энергию волновых возбуждений нелинейной среды, принятый за прототип, включающий пропускание оптического излучения через нелинейную среду [2]
В этом способе исходное оптическое излучение, распространяющееся в нелинейной среде, представляет собой суперпозицию двух плоских монохроматических волн с частотами W₁ и W₂ (и волновыми векторами ), подобранными таким образом, чтобы разность частот W₁-W₂ совпадала с частотой Ω_i одного из собственных резонансов среды, т.е. с одной из собственных частот волновых возбуждений, в рассматриваемом случае, с ленгмюровской (плазменной) частотой волновых возбуждений в плазме (ленгмюровские волновые возбуждения или волновые возбуждения плотности пространственного заряда или плазменные возбуждения).

В данном случае преобразование части энергии исходного оптического излучения, представляющего собой двухчастотное лазерное излучение с частотами W₁ и W₂ в энергию волновых возбуждений плазмы с ленгмюровской частотой используют для ускорения заряженных частиц.

Данный способ преобразования энергии справедлив для исходного двухчастотного электромагнитного излучения с частотами W₁ и W₂ более низкочастотного диапазона, например СВЧ- диапазона, при условии, что W₁-W₂= Ω_i
Хотя реализация этого способа возможна также при двухчастотном лазерном излучении небольшой мощности, в целом этот способ обладает теми же недостатками, что и предыдущий. Максимальное КПД данного способа, как и предыдущего, не может превышать величину Ω_i/W₁ которая, как правило, меньше сотых долей процента, и для оптического излучения с широким спектром преобразование энергии вышеуказанным способом невозможно.

Предложенное изобретение решает задачу увеличения КПД преобразования энергии электромагнитного излучения с произвольной шириной спектра (как монохроматического или квазимонохроматического, так и излучения с широким спектром) в энергию волновых возбуждений нелинейной среды.

Указанная цель достигается тем, что в известном способе преобразования энергии электромагнитного излучения оптического или более низкочастотного диапазона в энергию волновых возбуждений нелинейной среды, включающем пропускание оптического или более низкочастотного электромагнитного излучения через нелинейную среду, новым является то, что исходное электромагнитное излучение с произвольной шириной спектра модулируют во времени колебаниями постоянной частоты таким образом, чтобы в частотном спектре модулированного электромагнитного излучения каждой несущей частоте исходного немодулированного электромагнитного излучения (т.е. каждой частоте исходного излучения до модуляции) соответствовало множество частот, равноотстоящих друг от друга на частоту модуляции, нелинейную среду и частоту модуляции подбирают так, чтобы собственная частота данных волновых возбуждений нелинейной среды была равна или кратна частоте модуляции, при этом осуществляют условие синхронизма для взаимодействующих в нелинейной среде гармоник (спектральных составляющих) промодулированного исходного излучения и данных волновых возбуждений, наводимых в среде.

Более высокий КПД преобразования энергии электромагнитного излучения оптического или более низкочастотного диапазона в энергию волновых возбуждений нелинейной среды достигается за счет взаимодействия между множеством гармоник модулированного излучения (спектральные составляющие модулированного излучения) и волновыми возбуждениями в нелинейной среде. Данное взаимодействие возникает вследствие распространения в этой среде множества гармоник модулированного излучения с частотами, отличающимися друг от друга на частоту модуляции, при условии, что частота модуляции и нелинейная среда подобраны вышеуказанным образом, причем это взаимодействие будет наиболее эффективным, если выполнено условие синхронизма.

В данном случае условие синхронизма это условие эффективного обмена энергией при взаимодействии в нелинейной среде гармоник (спектральных составляющих) промодулированного исходного излучения и волновых возбуждений, наводимых в этой среде, заключающееся в сохранении определенных фазовых соотношений между гармониками и волновыми возбуждениями на всей области взаимодействия. В частности, набег фаз на всей области взаимодействия для взаимодействующих в данной среде гармоник модулированного излучения и волновых возбуждений относительно друг друга не должен превышать π Отсюда следует, что условие синхронизма может выполняться при равенстве фазовых скоростей в данной среде взаимодействующих гармоник и волновых возбуждений.

В самом общем случае в данном изобретении всегда существует определенный размер нелинейной среды вдоль направления распространения промодулированного излучения L_o≤L_ког (где L_ког длина когерентного взаимодействия или длина когерентности), на котором все фазовые скорости взаимодействующих в данной среде гармоник и волновых возбуждений, можно считать одинаковыми, т.е. всегда существует размер нелинейной среды, на котором условие синхронизма выполняется автоматически без принятия специальных мер. Это справедливо как в случае волновых возбуждений не обладающих дисперсией, так и в случае волновых возбуждений в нелинейной среде, обладающих дисперсией.

Для осуществления условия синхронизма при размерах нелинейной среды (вдоль направления распространения модулированного излучения) L_o>L_ког необходимо выполнять специальные меры. В частности, в случае исходного электромагнитного излучения СВЧ-диапазона в данном изобретении можно использовать замедляющие структуры в виде спиралей для согласования фазовых скоростей гармоник модулированного СВЧ-излучения и волновых возбуждений в нелинейной среде.

Преобразуемое электромагнитное излучение в предлагаемом изобретении может быть как оптическим, так и более низкочастотным, например радиоизлучением, в частности СВЧ-излучением, как непрерывного, так и импульсного действия и иметь произвольную ширину спектра.

В качестве преобразуемого электромагнитного излучения может использоваться монохроматическое или квазимонохроматическое излучение, излучение с широким спектром (например, излучение лазеров или излучение ламп накаливания, ртутных ламп, солнечное излучение и т.п.).

В качестве нелинейных сред могут быть использованы различные нелинейные среды, в частности диэлектрические среды, обладающие центром инверсии: центросимметричные кристаллы, газы, жидкости, а также плазма и др.

Геометрия формы этих сред может быть разная, наряду с объемными протяженными нелинейными средами могут использоваться нелинейные среды с волоконной или волноводной геометрией, т.е. среды с поперечными размерами, соизмеримыми с длиной волны исходного электромагнитного излучения.

Для осуществления модуляции исходного электромагнитного излучения в данном изобретении можно использовать следующие виды модуляции: модуляцию исходного излучения по фазе или частоте колебаниями постоянной частоты, в том числе гармоническими колебаниями; модуляцию по амплитуде периодическими негармоническими колебаниями постоянной частоты, в том числе импульсную модуляцию.

При этих видах модуляции выполняется основное условие, предъявляемое в модуляции излучения в данном изобретении, а именно: в частотном спектре промодулированного электромагнитного излучения оптического или более низкочастотного диапазона каждой несущей частоте исходного немодулированного излучения (т.е. каждой частоте исходного излучения до модуляции) должно соответствовать множество частот, равноотстоящих друг от друга на частоту модуляции.

Для дальнейшего повышения КПД данного преобразования можно дополнительно накапливать энергию возникающих в нелинейной среде волновых возбуждений.

Дополнительное накопление энергии волновых возбуждений нелинейной среды можно осуществлять путем многократного прохождения промодулированного исходного электромагнитного излучения по замкнутому контуру через один и тот же участок нелинейной среды. В этом случае многократное прохождение модулированного излучения по замкнутому контуру через один и тот же участок нелинейной среды можно обеспечить с помощью элементов типа зеркал, призм и т.п.

Для осуществления дополнительного накопления энергии волновых возбуждений нелинейной среды можно использовать резонаторы, способные накапливать энергию данных волновых возбуждений с резонансной частотой, совпадающей с частотой этих волновых возбуждений, при этом нелинейную среду можно размещать как внутри резонатора, так и вне его. Подобное накопление энергии возможно только для видов волновых возбуждений, для которых существуют соответствующие резонаторы. Энергию акустических волновых возбуждений нелинейной среды способны накапливать только акустические резонаторы, энергию электромагнитных волновых возбуждений нелинейной среды способны накапливать только электромагнитные резонаторы и т.п. Чем выше добротность резонаторов, способных накапливать энергию данных волновых возбуждений среды, тем эффективнее протекает процесс накопления. При размещении нелинейной среды вне резонатора преобразованную энергию волновых возбуждений нелинейной среды (например, электромагнитных волновых возбуждений) можно выводить из среды, подводить к резонатору и накапливать в нем. Нелинейную среду можно размещать внутри резонатора (например, внутри объемного СВЧ-резонатора в случае высокочастотных (СВЧ) электромагнитных волновых возбуждений нелинейной среды), при этом процесс накопления преобразованной энергии волновых возбуждений будет осуществляться непосредственно в среде, помещенной в данный резонатор. Можно также использовать несколько таких резонаторов, способных накапливать энергию данных волновых возбуждений с одной и той же резонансной частотой, совпадающей с частотой этих волновых возбуждений. Для этого преобразованную энергию волновых воздуждений, накопленную в первом резонаторе (резонатор первого каскада), подводят ко второму резонатору (резонатор второго каскада), где процесс накопления продолжается. Затем энергию, накопленную во втором резонаторе, подводят для последующего накопления к третьему резонатору (резонатор третьего каскада) и т.д.

Наиболее эффективным для данного преобразования является лазерное излучение, благодаря возможности достижения высокой мощности и малой угловой расходимости. В случае лазерного излучения импульсного действия необходимо, чтобы время длительности импульса T_i существенно превосходило период модулирующих колебаний постоянной частоты T_мод (T_i>> T_мод), где частота модуляции.

В случае использования в качестве исходного излучения солнечного излучения, данное изобретение позволяет преобразовать энергию солнечного излучения в энергию высокочастотных электромагнитных волновых возбуждений нелинейной среды, например плазмы, т.е. преобразовывать энергию солнечного излучения в электромагнитную энергию СВЧ-диапазона.

Из всех видов модуляции, используемых в данном изобретении, самым простым и эффективным является модуляция по фазе или частоте гармоническими колебаниями постоянной частоты.

Использование нелинейных сред с волоконной или волноводной геометрией в данном изобретении позволяет управлять дисперсией, а также достигать больших напряженностей электромагнитных полей в среде при достаточно низких уровнях мощности исходного излучения, что приводит к увеличению эффективности преобразования энергии при прочих равных условиях.

Особо следует отметить, что в качестве нелинейной среды в данном изобретении можно использовать плазму.

В плазме, представляющей собой частично или полностью ионизованный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы, могут возникать следующие волновые возбуждения: продольные с ленгмюровской частотой (ленгмюровские или плазменные или возбуждения плотности пространственного заряда), продольные ионно-звуковые, поперечные электромагнитные с частотой W > Ω_e, где Ω_e- ленгмюровская частота.

Магнитное поле существенно меняет волновые свойства плазмы. При помещении плазмы в магнитное поле число возможных волновых возбуждений в плазме, в энергию которых можно преобразовать энергию исходного электромагнитного излучения оптического или более низкочастотного диапазона, возрастает.

Свойства совокупности подвижных заряженных частиц в твердых проводниках (электронов проводимости в металлах или электронов и дырок в полупроводниках) могут быть близкими к свойствам газоразрядной плазмы. Подобная совокупность подвижных заряженных частиц в твердом теле носит название плазмы твердого тела. Плазму твердого тела также можно использовать в данном изобретении в качестве нелинейной среды для преобразования в энергию различного рода волновых возбуждений, способных возникнуть в плазме твердого тела.

Предлагаемый способ преобразования энергии позволяет осуществлять нагрев нелинейной среды, в частности плазмы. Для нагрева нелинейной среды выбирают такую среду, в которой могли бы возникать волновые возбуждения, диссипирующие в тепло. Далее необходимо осуществить преобразование в энергию этих волновых возбуждений предлагаемым способом, при этом преобразованная энергия данных волновых возбуждений нелинейной среды будет диссипировать в тепло, нагревая эту среду.

Предлагаемое изобретение позволяет осуществлять усиление, умножение частот и генерацию высокочастотных электромагнитных колебаний или воды, в частности электромагнитных колебаний или волн СВЧ-диапазона.

Для усиления с помощью предлагаемого способа высокочастотного электромагнитного сигнала, представляющего собой высокочастотные электромагнитные колебания, формируемые от независимого высокочастотного генератора, необходимо этими колебаниями осуществлять модуляцию исходного электромагнитного излучения оптического или более низкочастотного диапазона, нелинейную среду подбирать так, чтобы данная среда была способна к возникновению в ней высокочастотных электромагнитных волновых возбуждений с частотой, совпадающей с частотой модуляции (т.е. с частотой усиливаемых колебаний). При выводе преобразованной электромагнитной энергии данных высокочастотных волновых возбуждений из среды получают высокочастотные колебания с той же частотой, что и усиливаемые колебания, которыми модулируют электромагнитное излучение, но более мощные, т.е. происходит усиление модулирующих колебаний.

В данном случае усиление высокочастотных колебаний, которыми модулируют исходное электромагнитное излучение, происходит за счет преобразования энергии исходного электромагнитного излучения оптического или более низкочастотного диапазона в энергию высокочастотных электромагнитных волновых возбуждений нелинейной среды.

Для генерации высокочастотных электромагнитных колебаний необходимо в вышеописанном случае усиления электромагнитных колебаний осуществить положительную обратную связь с помощью цепи обратной связи между усиленными высокочастотными колебаниями, выводимыми из среды (выходом схемы усиления) и усиливаемыми модулирующими колебаниями (входом модулятора или входом схемы усиления).

Для умножения частот, т. е. для увеличения в целое число раз частоты электромагнитных высокочастотных колебаний в вышеуказанном случае усиления электромагнитных колебаний, нелинейную среду подбирают так, чтобы собственная частота высокочастотных электромагнитных волновых возбуждений нелинейной среды была кратна частоте модуляции (т.е. частоте электромагнитных колебаний, которыми модулируют исходное электромагнитное излучение оптического или более низкочастотного диапазона). В этом случае с помощью предлагаемого способа происходит преобразование в энергию электромагнитных волновых возбуждений среды с частотой, кратной частоте модуляции, а при выводе электромагнитной энергии этих возбуждений из среды получают высокочастотные колебания с частотой, в целое число раз превышающей частоту исходных модулирующих колебаний.

На фиг. 1-4 приведены примеры преобразования энергии исходного электромагнитного излучения оптического или более низкочастотного диапазона в энергию волновых возбуждений нелинейной среды предлагаемым способом.

На фиг. 1 показана схема преобразования энергии исходного лазерного излучения в энергию ленгмюровских волновых возбуждений плазмы; на фиг. 2 - схема усиления высокочастотных электромагнитных колебаний с использованием предлагаемого способа преобразования энергии; на фиг. 3 схема генерации высокочастотных электромагнитных колебаний, основанная на данном изобретении; на фиг. 4 схема нагрева плазмы с использованием данного изобретения.

Перечень позиций: 1 коллимированный пучок лазерного излучения; 2 - модулятор; 3 модулированное лазерное излучение; 4 электронно-ионная плазма, формируемая с помощью разряда на постоянном токе; 5 прозрачная стеклянная колба; 6, 7 катод и анод дугового разряда; 8 модулирующий высокочастотный электромагнитный сигнал (модулирующие колебания); 9 - электромагнитный резонатор; 10 цепь обратной связи; 11 светоделительное зеркало; 12, 13, 14 зеркала.

Пример 1. Осуществление преобразования энергии исходного лазерного излучения в энергию ленгмюровских волновых возбуждений плазмы.

На фиг. 1 высокочастотный сигнал 8, представляющий собой гармонические электромагнитные колебания и формируемый от независимого высокочастотного генератора, подают на модулятор 2, с помощью которого осуществляют модуляцию исходного лазерного излучения непрерывного действия 1 по фазе (или частоте) гармоническими модулирующими колебаниями постоянной частоты.

В качестве модуляторов, осуществляющих модуляцию по фазе исходного излучения 1 высокочастотными колебаниями на фиг. 1-4 могут использоваться электрооптические модуляторы, работающие на эффекте Поккельса.

Модулятором может быть также зеркало, колеблющееся с частотой Ω С этой целью зеркало либо непосредственно крепится на торец пьезопреобразователя, либо отражающее покрытие напыляется на торец пьезопреобразователя. При подаче электромагнитного сигнала с постоянной частотой W на пьезопреобразователь он начинает вибрировать с частотой W вместе с зеркалом либо с зеркальным покрытием за счет обратного пьезолектрического эффекта. Исходное излучение 1, отраженное от такого колеблющегося с заданной частотой W зеркала, оказывается промодулированным вышеуказанным способом.

Частота модулирующего сигнала (т. е. частота модуляции) W должна быть равна или близка ленгмюровской частоте W_e данной плазмы 4, т.е. Ω = Ω_e
Промодулированное высокочастотным модулирующим сигналом лазерное излучение 3 пропускают через плазму 4, помещенную в прозрачную стеклянную колбу 5. Электронно-ионная плазма создается с помощью разряда на постоянном токе, для чего используют катод 6 и анод 7 дугового разряда.

Условие синхронизма осуществляют для взаимодействующих в плазме гармоник модулированного лазерного излучения и ленгмюровских волновых возбуждений. Для этого размер плазмы вдоль направления распространения модулированного лазерного излучения выбирают равным L_o≤L_ког (где L_ког длина когерентного взаимодействия или длина когерентности), что приводит к автоматическому осуществлению условия синхронизма. В рассматриваемом случае размер L_ког определяется следующим образом (см. выражение 4).

где C скорость света в вакууме;
коэффициент преломления плазмы на частоте омега₀ исходного лазерного излучения
коэффициент преломления плазмы на частотах, приближающихся к ленгмюровской частоте.

Отсюда следует, что при значениях ленгмюровской частоты плазмы порядка сотен мегагерц Ω_e ≈10⁸ Гц), размер L_ког исчисляется метрами.

В данном случае при пропускании промодулированного по фазе (или частоте) лазерного излучения через плазму будет происходить преобразование энергии этого лазерного излучения в энергию волновых возбуждений плазмы с ленгмюровской частотой (ленгмюровские волновые возбуждения плазмы).

Пример 2. Осуществление усиления высокочастотных электромагнитных колебаний за счет преобразования энергии исходного лазерного излучения в энергию ленгмюровских волновых возбуждений плазмы с последующим выводом преобразованной энергии из плазмы.

То же, что и в примере 1, только для осуществления усиления высокочастотных электромагнитных колебаний 8, в схеме на фиг. 2 этими усиливаемыми колебаниями с помощью модулятора 2 модулируют вышеуказанным образом лазерное излучение 1. Плазму 4 подбирают так, чтобы ленгмюровская частота плазмы Ω_e совпадала с частотой Ω усиливаемых колебаний 8 (т.е. с частотой модуляции). Преобразованную энергию выводят из плазмы 4 и с целью повышения эффективности данного преобразования подводят с помощью коаксиального кабеля или волновода к электромагнитному резонатору 9 с резонансной частотой (либо с одной из резонансных частот, если их несколько), совпадающей с ленгмюровской частотой. В резонаторе 9 происходит дополнительное накопление преобразованной энергии, выводимой из плазмы.

В результате на выходе резонатора 9 получают высокочастотный сигнал с той же частотой, что и усиливаемый, но более мощный, т.е. происходит усиление сигнала за счет энергии лазерного излучения, которая преобразуется в энергию ленгмюровских волновых возбуждений плазмы предлагаемым способом.

Чем выше добротность резонатора 9, тем эффективнее протекает процесс преобразования энергии и тем выше коэффициент усиления.

Расчеты показывают, что при использовании резонаторов с очень высокой добротностью, например криоэлектронных сверхпроводящих резонаторов, значения КПД данного преобразования энергии может достигать величины 90% даже при относительно небольших мощностях (порядка одного ватта) исходного лазерного излучения.

С изменением концентрации зарядов в плазме можно изменять ленгмюровскую частоту плазмы и тем самым варьировать частоту, на которой возможно усиление. При реально достижимых концентрациях зарядов порядка 10⁹-10¹⁴ см^-3 ленгмюровская частота может лежать в диапазоне дециметровых, сантиметровых и даже миллиметровых волн.

Пример 3. То же, что и в примере 2, только для предотвращения потерь преобразованной энергии при выводе из плазмы 4 и подводе к резонатору 9, в качестве резонатора 9 в схеме на фиг. 1 можно использовать СВЧ-резонаторы с емкостным зазором, а стеклянную колбу с плазмой размещать в емкостном зазоре данного резонатора.

Пример 4. То же, что и в примере 2, только для дополнительного накопления преобразованной энергии используют несколько резонаторов, объединенных в каскады. Для этого преобразованную энергию, накопленную в резонаторе 9 с помощью коаксиального кабеля или волновода, можно подводить к следующему резонатору с такой же резонансной частотой (резонатор второго каскада), в котором процесс накопления преобразованной энергии продолжится и т.д. Для предотвращения влияния каждого последующего резонатора на предыдущий можно использовать вентили, расположенные между резонаторами и пропускающие преобразованную энергию только в одном направлении от предыдущего резонатора к последующему, например ферритовые вентили.

Пример 5. То же, что и в примере 2, только энергию исходного лазерного излучения 1 преобразуют в энергию плазменных поперечных электромагнитных волновых возбуждений СВЧ- диапазона с частотой, большей ленгмюровской (w > W_e ), в том числе в энергию СВЧ-волновых возбуждений плазмы, помещенной в магнитное поле. В этом случае частота усиливаемого модулирующего сигнала (т. е. частота модуляции) должна совпадать с частотой данных поперечных электромагнитных волновых возбуждений СВЧ-диапазона в плазме и с резонансной частотой СВЧ-резонатора 9, в котором происходит накопление преобразованной энергии. В данном случае плазма, через которую пропускают промодулированное лазерное излучение, может также располагаться внутри объемного СВЧ-резонатора с вышеуказанной резонансной частотой. Значения КПД преобразования энергии в рассматриваемом примере те же, что и в примере 2.

Пример 6. То же, что и в примере 2, только в качестве исходного излучения используют солнечное излучение. В данном случае усиление высокочастотного модулирующего сигнала происходит за счет преобразования энергии солнечного излучения в энергию ленгмюровских волновых возбуждений плазмы с последующим выводом из плазмы и накоплением преобразованной СВЧ-энергии в резонаторе. Величины КПД рассматриваемого преобразования энергии могут достигать 70%
Пример 7. То же, что и в примере 6, только дополнительно с помощью выпрямительного устройства, например СВЧ-выпрямителя, осуществляют дальнейшее преобразование энергии усиленного высокочастотного сигнала в энергию постоянного или переменного тока путем выпрямления данного сигнала.

Пример 8. То же, что и в примере 2, только вместо стеклянной колбы 5, заполненной плазмой 4, используют тонкую стеклянную трубку, заполненную плазмой, с поперечными размерами трубки, соизмеримыми с длиной волны исходного лазерного излучения, т.е. используют плазменный волновод.

Волноводная или волоконная геометрическая форма плазмы в данном случае позволяет достигать больших напряженностей электромагнитных полей в плазме при достаточно низких уровнях мощности исходного лазерного излучения. Вследствие чего, либо снижаются требования к величине мощности исходного лазерного излучения при достижении тех же КПД преобразования энергии, что и в примере 2, либо снижаются требования к величине добротности резонаторов, по сравнению с примером 2, для достижения аналогичных КПД.

Пример 9. То же, что и в примере 8, только в качестве плазменного волновода использован узкий плазменный цилиндр с вышеуказанными поперечными размерами, удерживаемый магнитным давлением при помещении плазмы в магнитное поле (плазменный волновод со свободной границей).

Пример 10. То же, что и в примере 8, только в качестве плазменного волновода используют плазму твердого тела.

Пример 11. Осуществление умножения частот высокочастотного электромагнитного сигнала.

Схема на фиг. 2 может функционировать в режиме умножения частот, т.е. увеличивать в целое число раз частоту поступающего на вход электромагнитного сигнала, в данном случае высокочастотного модулирующего сигнала 8. Для этого плазму подбирают так, чтобы ленгмюровская частота Ω_e данной плазмы 4 была кратна частоте модуляции, (т.е. частоте Ω усиливаемого сигнала) W_e=nΩ где n= 2, 3, В этом случае на выходе резонатора 9 за счет преобразования энергии лазерного излучения в ленгмюровские волновые возбуждения плазмы с последующим выводом преобразованной энергии из плазмы и ее накоплением в резонаторе получают усиленный высокочастотный сигнал с частотой, совпадающей с легнмюровской и кратной частоте модулирующего сигнала, т.е. осуществляется умножение частоты входного модулирующего сигнала в целое число раз.

Пример 12. Осуществление генерации высокочастотных электромагнитных колебаний.

То же, что и в примере 2, только для превращения схемы усиления высокочастотных электромагнитных сигналов, показанную на фиг. 2, в схему генерации этих сигналов (т.е. для самовозбуждения схемы на фиг. 2) осуществляют положительную обратную связь с помощью цепи обратной связи.

На фиг. 3 показана схема генерации высокочастотного электромагнитного сигнала. Схема на фиг. 3 отличается от схемы на фиг. 2 наличием цепи обратной связи 10 между усиленным высокочастотным сигналом (выходом схемы усиления) и усиливаемым модулирующим сигналом (входом схемы усиления).

Пример 13. Осуществление нагрева плазмы за счет преобразования энергии лазерного излучения в энергию ленгмюровских волновых возбуждений плазмы, способную диссипировать в тепло (см. фиг. 4).

В предыдущих примерах использовалось преобразование в энергию ленгмюровских волновых возбуждений плазмы с последующим выводом преобразованной энергии из плазмы.

Однако ситуация меняется, если преобразованную энергию ленгмюровских волновых возбуждений не выводить из плазмы. В этом случае преобразованная энергия волновых возбуждений плазмы с ленгмюровской частотой будет диссипировать в тепло, нагревая плазму.

На фиг. 4 показана схема нагрева плазмы, основанная на данном преобразовании энергии.

Лазерное излучение 1 непрерывного действия модулируют с помощью модулятора 2 по фазе (или частоте) гармоническими колебаниями постоянной чистоты Ω Причем частота модуляции W равна (или близка) ленгмюровской частоте W_e данной плазмы 4, т.е. Ω=Ω_e Затем промодулированное лазерное излучение 3 пропускают через плазму 4, находящуюся в стеклянной колбе 5 и создаваемую с помощью разряда на постоянном токе, для чего используют электроды 6 и 7.

С целью повышения эффективности данного преобразования энергии осуществляют условие синхронизма для взаимодействующих в плазме гармоник модулируемого лазерного излучения и ленгмюровских волновых возбуждений. Для этого размер плазмы вдоль направления распространения модулированного лазерного излучения выбирают равным L_o≤L_ког, где размер L_ког определяют также, как и в примере 1.

При пропускании промодулированного по фазе (или частоте) лазерного излучения через плазму происходит преобразование энергии этого лазерного излучения в энергию волновых возбуждений плазмы с ленгмюровской частотой с последующей диссипацией преобразованной энергии в тепло, если преобразованную энергию не выводить из плазмы.

Для дальнейшего повышения эффективности данного преобразования дополнительно осуществляют накопление энергии ленгмюровских волновых возбуждений на участке плазмы размером L_o≤L_ког путем многократного прохождения промодулированного вышеуказанным образом лазерного излучения по замкнутому контуру через один и то же участок плазмы размером L_o≤L_ког. Для этого в схеме на фиг. 3 используют светоделительное зеркало 11 и зеркала 12, 13, 14.

Каждый раз при прохождении модулированного лазерного излучения через плазму размером L_o≤L_ког будет осуществляться условие синхронизма и будет происходить преобразование в энергию ленгмюровских волновых возбуждений плазмы с последующей диссипацией в тепло.

При многократном прохождении модулированного лазерного излучения через один и тот же участок плазмы размером L_o≤L_ког КПД преобразования энергии лазерного излучения в энергию ленгмюровских волновых возбуждений плазмы повышается по сравнению с однократным прохождением за счет накопления энергии волновых возбуждений на каждом проходе. В результате эффективность процесса нагрева плазмы также повышается.

Если не учитывать потери при отражении от зеркал, КПД данного преобразования энергии, а значит и КПД нагрева может приближаться к теоретическому (см. выражение 3). Расчеты показывают, что на практике при использовании в схеме на фиг. 3 зеркал 11, 12, 13, 14 высокого качества, КПД преобразования может достигать нескольких десятков процентов.

Пример 14. То же, что и в примере 13 только для осуществления многократного прохождения модулированного лазерного излучения по замкнутому контуру через один и тот же участок плазмы используют резонатор Фабри-Перо, между зеркалами которого помещают стеклянную колбу 5 с плазмой 4.

Пример 15. То же, что и в примере 13, только в качестве лазерного излучения 1 используют лазерное излучение импульсного действия при условии, что время длительности импульса T_i существенно превосходит период модулирующих колебаний T_m(T_i > T_m.

Пример 16. То же, что и в примере 12, только частота ленгмюровских волновых возбуждений плазмы Ω_e кратна частоте модуляции Ω т.е. W_e=nΩ где n=2,3.

Пример 17. То же, что и в примере 13, только осуществляют модуляцию исходного лазерного излучения по амплитуде колебаниями постоянной частоты прямоугольной формы (т. е. с прямоугольными импульсами) с частотой, совпадающей (или близкой) ленгмюровской частоте.

Пример 18. То же, что и в примере 13, только в качестве исходного излучения 1 используют СВЧ- излучение. В данном случае нагрев плазмы происходит за счет преобразования энергии электромагнитного излучения СВЧ-диапазона в энергию ленгмюровских возбуждений плазмы с последующей диссипацией преобразованной энергии в тепло, если преобразованную энергию не выводить из плазмы.

Рассмотрим теорию данного способа преобразования энергии электромагнитного излучения оптического или более низкочастотного диапазона в энергию волновых возбуждений нелинейной среды.

В качестве исходного электромагнитного излучения исследуем плоскую волну лазерного излучения с циклической частотой ω_o После модуляции лазерного излучения по фазе (или частоте) гармоническими колебаниями с частотой Ω (совпадающий с частотой данных волновых возбуждений нелинейной среды) спектр модулированного лазерного излучения оказывается дискретным, симметричным относительно w_o и содержащим множеством частот вида ω_m= ω_o+mΩ где 0,±1,±2, (или ω_n= ω_o± nΩ где n 0, 1, 2,) с амплитудами, распределенными по функциям Бесселя.

Таким образом в частотном спектре модулированного лазерного излучения несущей частоте ω_o исходного немодулированного лазерного излучения (т.е. частоте исходного лазерного излучения до модуляции) соответствует множество частот, равноотстоящих друг от друга на частоту модуляции (частоты где m 0, ±1, ±2,)
На входе в нелинейную среду z=0 электрическое поле модулированного по фазе лазерного излучения имеет вид:

где Ω- циклическая частота фазовой модуляции, A_Σ(O)- амплитуда плоской лазерной волны до модуляции J_m(δ)- функция Бесселя первого рода порядка m, δ <<1 индекс модуляции, величина l >> 1 определяется шириной частотного диапазона прозрачности нелинейной среды.

Для простоты рассмотрения будем считать, что осуществляется условие синхронизма для взаимодействующих в нелинейной среде электромагнитных волн (гармоник или спектральных составляющих модулированного лазерного излучения) и волновых возбуждений.

Согласно известному свойству функций Бесселя первого рода:

Последнее равенство по существу выражает собой закон сохранения энергии для процесса модуляции.

При малых значения δ <<1:

Отсюда следует, что при δ <1/7 (значение индекса модуляции d <<1 характерно для всех оптических модуляторов по фазе или частоте) на основную гармонику с несмещенной частотой w_o приходится более 99% всей мощности исходного излучения, а на все остальные гармоники с частотами ω_o±nΩ менее 1% где n=1,2,3,
Поэтому распространение модулированного по фазе (или частоте) лазерного излучения в нелинейной среде при соблюдении условия синхронизма для распространяющихся и взаимодействующих в этой среде волн и волновых возбуждений можно рассматривать как распространение в нелинейной среде совокупности гармоник модулированного излучения (гармонических волн) с частотами ω_o (на эту гармонику приходится более 99% мощности исходного излучения) и ω_o± nΩ где n=1,2,3, в результате которого возникают синфазные взаимодействия между гармониками, распространяющимися в данной среде, и волновыми возбуждениями.

В поле мощной гармоники с частотой ω_o энергия слабых волн с частотами ω_o+nΩ нарастать не будет и энергией этих гармоник в процессе распространения в данной нелинейной среде можно пренебречь.

Следовательно рассмотрение преобразования энергии предлагаемым способом сводится к рассмотрению синфазных взаимодействий, возникающих вследствие распространения множества гармоник модулированного излучения с частотами ω_o и ω_o-nΩ где n=1,2,3,
Сначала рассмотрим синфазные взаимодействия, возникающие в нелинейной среде, обладающей центром инверсии, при распространении в ней двух гармоник модулированного излучения с частотами ω_o и ω_o-Ω при условии, что частота Ω (частота модуляции) совпадает с собственной частотой возбуждения среды W_i(Ω=Ω_i)
Вследствие биения гармоник с частотами ω_o и ω_o-Ω в среде будет наводиться волна изменений диэлектрической проницаемости среды с разностной частотой:

где Δε - изменение диэлектрической проницаемости среды, κ⁽³⁾- кубическая нелинейная восприимчивость среды, E₁ комплексная амплитуда плоской волны с частотой ω₁= ω_o E₂ комплексная амплитуда плоской волны с частотой ω₂= ω_o-Ω
Поскольку разность частот ω₁-ω₂ совпадает с частотой Ω_i одного из собственных резонансов среды, глубина модуляции волны изменений диэлектрической проницаемости среды испытывает резонансное возрастание, вследствие наличия резонанса у нелинейной восприимчивости κ⁽³⁾ и распространение волны De есть распространение оптически наведенных волновых возбуждений в среде с частотой W_i(Ω_i=Ω)
Фактически в результате такого параметрического взаимодействия часть энергии основной гармоники модулированного излучения с частотой ω_o преобразуется в энергию волновых возбуждений среды с частотой Ω_i= Ω и в энергию гармоники модулированного излучения с частотой ω_o-Ω
С квантовой точки зрения из одного фотона основной гармоники с энергией hω_o образуются фотон с энергией h (ω_o-Ω) и квазичастица с энергией hΩ_i/ соответствующая данному волновому возбуждению:
hω_o_→ h(ω_o-Ω_i)+hΩ_i (Ω=Ω_i)
где h постоянная Планка.

Одновременно с рассмотренным взаимодействием будет происходить синфазное взаимодействие, возникающее вследствие распространения в среде гармоник модулированного излучения с частотами ω_o-Ω и ω_o-2Ω
В результате этого взаимодействия происходит преобразование энергии гармоники с частотой ω_o-Ω в энергию волновых возбуждений среды с частотой Ω_i=Ω и в энергию гармоники с частотой ω_o-2Ω
h(ω_o- Ω) _→ h(ω_o-2Ω)+hΩ
Также одновременно будет происходить взаимодействие, возникающее вследствие распространения в данной нелинейной среде гармоник с частотами:
ω_o-2Ω и ω_o-3Ω, ω_o-3Ω и ω_o-4Ω, ... и т.д.
В результате многоволновое взаимодействие, возникающее вследствие распространения в нелинейной среде при соблюдении условия синхронизма множества гармоник модулированного излучения с частотами ω_o, ω_o-Ω,ω_o-2Ω,... и т.д. и т. д. описывается следующей схемой распада фотонов

Реальная нелинейная среда обладает конечным оптическим диапазоном прозрачности. Обозначим нижнюю границу частотного диапазона прозрачности через ω_грн
Из (2) следует, что распад фотонов прекращается, когда ω_o-nΩ = ω_грн
Поэтому количество квазичастиц с энергией hΩ_i(Ω=Ω_i) соответствующих волновым возбуждениям среды и образующихся вследствие распада одного фотона основной гармоники с частотой ω_o по схеме (2), равно:
Максимально допустимый КПД (η) данного преобразования энергии в этом случае можно определить:

Такой высокий теоретический КПД преобразования энергии исходного лазерного излучения в энергию волновых возбуждений среды достигается в данном способе за счет многоволнового взаимодействия, возникающего вследствие распространения в нелинейной среде множества гармоник модулированного излучения при соблюдении условия синхронизма. Подобное взаимодействие между гармониками модулированного излучения и волновыми возбуждениями описывается многоступенчатой схемой распада фотонов (2), что и приводит, по сравнению с одноступенчатой схемой распада фотонов, лежащей в основе известных способов, к повышению КПД(η) преобразования энергии.

Как уже отмечалось, эффективное преобразование энергии в предлагаемом способе возможно при осуществлении условия синхронизма для взаимодействующих в нелинейной среде гармоник модулированного излучения и волновых возбуждений.

Биения, вызванные двумя гармониками модулированного излучения с частотами w_o и ω_o-Ωнаводят волновые возбуждения в среде (см. выражение 1).

Аналогичными выражениями описываются волновые возбуждения, наводимые в среде биениями гармоник модулированного излучения с частотами ω_o-Ω и ω_o-2Ω, ω_o-2Ω и ω_o-3Ω, ... и т.д. и т.д.

В данном случае условие синхронизма состоит в том, чтобы волновые возбуждения, наводимые биениями всех соответствующих гармоник модулированного излучения, были бы когерентными между собой, т.е. разность фаз между всеми волновыми возбуждениями не должна превышать π(Δϕ ≤ π)
Всегда существует определенный размер нелинейной среды вдоль направления распространения промодулированного излучения L_o≤L_ког (где L_ког длина когерентного взаимодействия или длина когерентности), на котором условие синхронизма выполняется автоматически. Это справедливо как в случае волновых возбуждений, не обладающих дисперсией, так и в случае волновых возбуждений среды, обладающих дисперсией.

Например, в случае реальной нелинейной среды с конкретным частотным диапазоном прозрачности, нижняя граница которого ω_грн, и с собственной частотой бездисперсионного волнового возбуждения Ω_i= Ω можно показать, что:

где C скорость исходного лазерного излучения, коэффициент преломления среды на частоте ω_o - исходного лазерного излучения, коэффициент преломления среды на частоте ω_грн-
Остановимся на требованиях к стабильности частоты модуляции в данном способе преобразования энергии.

Очевидно, что длина цуга модулирующих колебаний должна превосходить размер нелинейной среды, на котором происходит рассматриваемое преобразование (см. фиг. 1 или 4), или, что тоже самое время когерентности модулирующих колебаний должно превосходить время, в течение которого накапливают преобразованную энергию волновых возбуждений в резонаторах (см. фиг.2 и 3).

В результате для случая преобразованная энергии, показанном на фиг. 1, можно получить
Для случая преобразования энергии, показанном на фиг. 3, имеем:

где Q добротность резонатора.

В отличие от известных способов преобразования энергии, функционирующих только при условии узкого спектрального состава исходного оптического или более низкочастотного электромагнитного излучения, предлагаемый способ преобразования энергии функционирует в случае исходного оптического или более низкочастотного электромагнитного излучения с произвольной шириной спектра.

Пусть в качестве исходного излучения используется оптическое излучение с широким спектральным составом, например, излучение с частотой шириной спектра ω_в÷ ω_н
В данном случае исходное оптическое излучение с широким спектром можно рассматривать как совокупность независимых монохроматических спектральных составляющих с частотами ω_i∈ [ω_в, ω_н]
Поэтому после предварительной модуляции исходного излучения с широким спектром по фазе (или частоте) гармоническими колебаниями постоянной частоты Ω каждая независимая спектральная составляющая исходного излучения с частотой w_i будет промодулирована по фазе (или частоте) гармоническими колебаниями с частотой Ω
Механизм преобразования энергии в данном изобретении для отдельной монохроматической спектральной составляющей, промодулированной по фазе (или частоте) колебаниями с частотой W, по существу был рассмотрен выше на примере исходного лазерного излучения.

Поэтому энергия каждой независимой спектральной составляющей, модулированной по фазе (или частоте), будет преобразована в энергию волновых возбуждений нелинейной среды описанным выше образом с максимально допустимым КПД преобразования:

Это означает, что вся энергия исходного излучения с широким спектром, складывающаяся из энергий отдельных спектральных составляющих, может преобразована в энергию волновых возбуждений нелинейной среды описанным выше образом.

Отметим, что данный способ преобразования энергии функционирует и тогда, когда собственная частота данных возбуждений среды Ω_i кратна частоте модуляции Ω , т.е., когда Ω_i= nΩ, где n=2,3,4,...
Положим, например, что в качестве исходного излучения используется лазерное излучение с частотой ω_o и что Ω_i= 2Ω
В этом случае после модуляции выше описанным образом лазерного излучения и пропускания промодулированного лазерного излучения через нелинейную среду данные волновые возбуждения будут возникать вследствие биений между гармониками модулированного излучения с частотами ω_o и ω_o-2Ω, ω_o-2Ω и ω_o-4Ω, и т.д.
При осуществлении условия синхронизма для взаимодействующих в нелинейной среде электромагнитных волн (гармоник модулированного лазерного излучения) и данных волновых возбуждений эффективность преобразования энергии возрастает.

Использование: изобретение может быть использовано в плазменной электронике для генерации и усиления электромагнитных СВЧ- колебаний или волн, для нагрева нелинейной среды, в том числе плазмы. Сущность изобретения: способ включает пропускание электромагнитного излучения через нелинейную среду, при этом электромагнитное излучение с произвольной шириной спектра модулируют во времени колебаниями постоянной частоты таким образом, чтобы в частотном спектре модулированного излучения каждой несущей частоте исходного немодулированного излучения соответствовало множество частот, равноотстоящих друг от друга на частоту модуляции, нелинейную среду и частоту модуляции подбирают так, чтобы собственная частота волновых возбуждений нелинейной среды была равна или кратна частоте модуляции, и осуществляют условие синхронизма для взаимодействующих в нелинейной среде гармоник промодулированного исходного излучения и данных волновых возбуждений, наводимых в среде. Для повышения КПД преобразования дополнительно накапливают энергию возникающих в нелинейной среде волновых возбуждений путем многократного прохождения промодулированного электромагнитного излучения по замкнутому контуру через один и тот же участок нелинейной среды с использованием одного или нескольких резонаторов. 13 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ преобразования энергии электромагнитного излучения оптического или более низкочастотного диапазона в энергию волновых возбуждений нелинейной среды, включающий пропускание электромагнитного излучения через нелинейную среду, отличающийся тем, что электромагнитное излучение с произвольной шириной спектра модулируют во времени колебаниями постоянной частоты таким образом, чтобы в частотном спектре модулированного излучения каждой несущей частоте исходного немодулированного излучения соответствовало множество частот, равноотстоящих друг от друга на частоту модуляции, частоту модуляции подбирают так, чтобы собственная частота волновых возбуждений нелинейной среды была равна или кратна частоте модуляции, при этом осуществляют условие синхронизма для взаимодействующих в нелинейной среде гармоник промодулированного исходного излучения и данных волновых возбуждений, наводимых в среде. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для повышения КПД данного преобразования дополнительно накапливают энергию возникающих в нелинейной среде волновых возбуждений. 3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что накопление энергии волновых возбуждений среды осуществляют путем многократного прохождения промодулированного электромагнитного излучения по замкнутому контуру через один и тот же участок нелинейной среды. 4. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что для накопления энергии волновых возбуждений среды используют один или несколько резонаторов, способных накапливать энергию данных волновых возбуждений, с резонансной частотой, совпадающей с частотой волновых возбуждений, при этом нелинейную среду размещают как внутри одного из резонаторов, так и вне этих резонаторов. 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве электромагнитного излучения используют излучение лазеров непрерывного действия. 6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве электромагнитного излучения используют излучение лазеров импульсного действия при условии, что время длительности импульса существенно превосходит период модулирующих колебаний. 7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве электромагнитного излучения используют солнечное излучение. 8. Способ по п.1, отличающийся тем, что модуляцию осуществляют по фазе или частоте гармоническими колебаниями. 9. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве нелинейной среды используют нелинейную среду с волноводной геометрией. 10. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве нелинейной среды используют плазму. 11. Способ по пп.1 и 10, отличающийся тем, что плазму помещают в магнитное поле. 12. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве нелинейной среды используют плазму твердых тел. 13. Способ по п.1, отличающийся тем, что для преобразования в энергию волновых возбуждений, диссипирующих в тепло, выбирают среду, способную к возникновению в ней этих возбуждений, и преобразуют исходную энергию в энергию данных возбуждений. 14. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют модуляцию исходного излучения электромагнитными колебаниями, при этом среду подбирают так, чтобы она была способна к возникновению в ней высокочастотных электромагнитных волновых возбуждений, и преобразуют исходную энергию в энергию данных возбуждений, а преобразованную энергию выводят из среды. 15. Способ по пп.1 и 14, отличающийся тем, что осуществляют положительную обратную связь с помощью цепи обратной связи между преобразованными колебаниями, выводимыми из среды, и модулирующими электромагнитными колебаниями.