СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ЧЕРЕЗ НЕОДНОРОДНУЮ СРЕДУ Российский патент 2016 года по МПК H04B10/00 

Известен способ передачи лазерного излучения на объект, основанный на формировании серии импульсов лазерного излучения с некоторой длиной волны, приеме отраженного от объекта излучения на двух отличающихся длинах волн (с определением координат направления лазерного излучения и координат центра теплового пятна на объекте по вышеупомянутым длинам волн) и корректировке передачи последующего импульса по результатам анализа отраженного предыдущего импульса (RU 2270523 С1). Недостатком данного способа является зависимость его эффективности от наличия мешающих неоднородных (аэрозольных) сред на пути распространения лазерного излучения.

Известен также способ передачи оптических импульсов несколькими лазерными лучами, заключающийся в формировании центрального лазерного луча и оболочки вокруг него в виде тоннеля, образованного одним лучом или пучком лучей, контактирующих между собой (RU 2262199 С2). Возможно также формирование тоннеля путем вращения относительно центрального луча, образованного пучком встречных лучей. Недостатком этого способа является возникновение неоднородностей внутри тоннеля при формировании его в аэрозольной среде вследствие дробления капель аэрозоля под воздействием интенсивного лазерного излучения.

Наиболее близким к предлагаемому решению является способ, представленный в диссертации Слесарева А.Г. на тему «Распространение импульсов лазерного излучения в просветляемой облачной среде».

Способ, принятый за прототип, заключается в тепловом воздействии интенсивным лазерным излучением на облака и туманы с целью создания в них локальных областей повышенной прозрачности - зон (каналов) просветления [1].

При воздействии мощного лазерного излучения облачные капли, поглощая энергию лазерного излучения, нагреваются и испаряются, что приводит к увеличению оптической прозрачности просветляемой среды (теория регулярного испарения капель); с увеличением интенсивности воздействующего излучения регулярный режим испарения капель сменяется их взрывным разрушением. Создаваемые таким образом каналы просветления можно использовать в качестве оптических волноводов для распространения зондирующего излучения (возможно, имеющего другую длину волны).

Недостатки данного способа

1. При воздействии на облачные среды интенсивным непрерывным лазерным излучением имеет место следующий эффект: поглощая энергию излучения, облачные капли становятся источниками тепловой энергии. Теплоотдача от капель приводит к дополнительному нагреву окружающей их воздушной среды. В силу различных причин: неоднородности распределения интенсивности по поперечному сечению пучка мощного лазерного излучения, поглощения и рассеяния излучения в облаке, пространственной неоднородности микроструктуры среды, наличия в облаке макроскопических движений (ветра) и турбулентности, в области воздействия формируются дополнительные неоднородности диэлектрической проницаемости. В свою очередь, среда оказывает обратное влияние на распространение интенсивного лазерного излучения в облаке. Это выражается в нестационарности сформированного канала прохождения лазерного излучения, перераспределении интенсивности в поперечном сечении пучка, смещении центра его интенсивности, дополнительном уширении, возникновении дополнительных флуктуаций параметров воздействующего излучения.

2. В случае воздействия на аэрозольные среды импульсного лазерного излучения, созданию каналов просветления в аэрозолях атмосферы может воспрепятствовать (или частично замедлить этот процесс) эффект вторичной конденсации. Возникновение этого эффекта возможно в связи с тем, что в процессе воздействия мощного лазерного излучения поступающий в среду горячий пар от испаряющихся капель, при определенных условиях, может оказаться пересыщенным из-за недостаточного оттока тепла в среду от капель, а также за счет газового поглощения. Релаксация избытка пара в этих областях может происходить путем гетерогенной или гомогенной конденсации (Коровин В.Я., Иванов Е.В. Экспериментальное исследование воздействия излучения CO₂-лазера на капли воды. В кн.: III Всесоюзный симпозиум по распространению лазерного излучения в атмосфере: Тезисы докладов. Томск, 1975, с. 93, 94).

Задачей предлагаемого изобретения является снижение энергетических затрат на создание каналов просветления в аэрозольных средах.

Достигаемый технический результат - снижение затухания лазерного излучения; существенное увеличение дальности передачи энергии электромагнитного излучения оптического диапазона.

Для решения поставленной задачи в способе передачи энергии оптического излучения через неоднородную среду, согласно изобретению, с помощью лазерного излучателя создают завихренное оптическое поле с синфазной поверхностью в виде спирали, которым воздействуют на микрочастицы неоднородной среды и создают в ней канал просветления, в котором концентрация мешающих микрочастиц существенно меньше, чем вне его; внутри образовавшегося канала просветления формируют оптическое поле, энергию которого необходимо передать через неоднородную среду, с длиной волны, отличающейся либо совпадающей с длиной волны завихренного оптического поля.

Заявляемый способ заключается в следующем.

С использованием лазера формируется завихренное оптическое поле с синфазной поверхностью в виде спирали (способы его формирования описаны в следующих источниках [2], [3], [4]), которое за счет давления светового потока на микрочастицы среды распространения (а также - за счет создания различного рода световых ловушек для разных типов частиц: пыль, капли аэрозоля и др.) заставляет их вращаться вокруг оси лазерного пучка [5]-[11].

Внутри образовавшейся полой области, в которой концентрация мешающих микрочастиц существенно меньше, чем вне ее, с помощью лазерного излучателя (на той же самой или отличающейся длине волны) формируется электромагнитное поле оптического диапазона, например, с плоским фазовым фронтом, энергию которого необходимо передать.

Изобретение поясняется чертежом (фиг. 1), где представлена схема способа передачи энергии электромагнитного излучения через неоднородную среду, основанного на использовании завихренного лазерного излучения для создания канала просветления.

На фиг. 1 введены следующие обозначения:

1 - излучатель завихренного электромагнитного поля оптического диапазона;

2 - излучатель электромагнитного поля оптического диапазона, которое необходимо передать;

3 - завихренное электромагнитного поля оптического диапазона;

4 - электромагнитное поле оптического диапазона, которое необходимо передать;

5 - неоднородная среда;

6 - канал просветления, формируемый в неоднородной среде;

7 - приемник излучения.

Способ реализуется следующим образом.

Излучателем 1 (фиг. 1) формируется завихренное электромагнитное поле оптического диапазона 3, которое излучается в сторону приемника излучения 7 и создает в неоднородной среде распространения 5 канал просветления 6. Излучателем 2 формируется излучение оптического диапазона с плоским фазовым фронтом 4, которое проходит внутри образованного канала просветления в неоднородной среде и достигает приемника излучения 7 с минимальными потерями.

В качестве приемника излучения 7 может быть объект, подлежащий разрушению интенсивным лазерным излучением, формируемым излучателем 2.

Формирование с помощью описанного выше способа канала просветления в среде распространения с неоднородностями позволяет: существенно снизить затухание лазерного излучения; существенно увеличить дальность передачи энергии оптического диапазона волн, поскольку концентрация рассеивающих и поглощающих частиц в сформированном просветленном канале существенно ниже, чем вне его.

Источники информации

1. Грачев Ю.Н., Стрелков Г.М. Изменение прозрачности водного аэрозоля под воздействием импульса излучения CO2-лазера. Квантовая электроника, 1976, Т. 3, №3, С. 621-625.

2. L. Alien, M.W. Beijersbergen, R.J.C. Spreeuw, and J.P. Woerdman, «Optical angular momentum of light and the transformation of Laguerre-Gauss laser modes», Phys. Rev. A, vol. 45, no. 11, pp.8185-8189, 1992.

3. G. Tumbull, D.A. Robertson, G.M. Smith, L. Alien, and M.J. Padgett, «The generation of free-space Laguerre-Gaussian modes at millimetre wave frequencies by use of a spiral phaseplate», Optics Commun., vol. 127, pp. 183-188, 1996.

4. Сойфер В.А., Котляр В.В., Хонина С.Н., Скиданов Р.В. Дифракционные оптические элементы для оптического манипулирования микрочастицами // Материалы международного форума по голографии Экспо-2004 - 2004. 19-22 октября, Москва, с. 62-63).

5. Molina-Terriza G., Torres J.P. and Tomer L 2007 Twisted photons // Nature Phys. 3 305-10; Grier D.G. 2003. A revolution in optical manipulation // Nature 424 810-6.

6. Tamburini F., Thid′e В., Molina-Terriza G. and Anzolin G. 2011 Twisting of light around rotating black holes // Nature Phys. 7 195-7.

7. Friese M.E. J. et al. Optical angular-momentum transfer to trapped absorbing particles // Phys. Rev. 1996. V. 54, No. 2. P. 1593A1596.

8. Skidanov R.V., Kotlyar V.V., Khonina V.V., Volkov A.V. and Soifer V.A. Micromanipulation in Higher-Order Bessel Beams // Optical Memory and Neural Networks (Information Optics) - 2007. v. 16, №. 2, p.84.

9. Сойфер В.А., Котляр В.В., Хонина С.Н., Скиданов Р. В. Вращение микрочастиц в световых полях // Компьютерная оптика - 2005. Вып. 28, С. 5-17.

10. Скиданов Р.В., Котляр В.В., Хонина С.Н. Экспериментальное исследование передачи орбитального углового момента сферическим микрочастицам // Известий СНЦ РАН - 2006. №4. С. 1200-1211.

11. Сойфер В.А., Котляр В.В., Хонина С.Н. Оптическое манипулирование микрообъектами: достижения и новые возможности, порожденные дифракционной оптикой // Физика элементарных частиц и атомного ядра - 2004. Т. 35. Вып. 6. С. 1367-1430.

Изобретение относится к области оптики. Технический результат состоит в увеличении дальности передачи энергии электромагнитного излучения оптического диапазона, снижении потерь передачи его через атмосферу. Для этого с помощью лазерного излучателя создают завихренное оптическое поле с синфазной поверхностью в виде спирали, которым воздействуют на микрочастицы неоднородной среды и создают в ней канал просветления с малой концентрацией мешающих микрочастиц. Внутри образовавшегося канала просветления формируют оптическое поле, энергию которого необходимо передать через неоднородную среду, с длиной волны, отличающейся либо совпадающей с длиной волны завихренного оптического поля. 1 ил.

Способ передачи энергии оптического излучения через неоднородную среду, отличающийся тем, что с помощью лазерного излучателя создают завихренное оптическое поле с синфазной поверхностью в виде спирали, которым воздействуют на микрочастицы неоднородной среды и создают в ней канал просветления, в котором концентрация мешающих микрочастиц существенно меньше, чем вне его; внутри образовавшегося канала просветления формируют оптическое поле, энергию которого необходимо передать через неоднородную среду, с длиной волны, отличающейся либо совпадающей с длиной волны завихренного оптического поля.