Способ лазерной генерации импульсного магнитного поля в диэлектрической сфере Российский патент 2024 года по МПК H02N3/00 G01N21/84 

Изобретение относится к способам создания импульсных переменных магнитных полей и может быть применено в физическом эксперименте, в том числе для моделирования сверхсильных магнитных полей в космическом пространстве, моделирования астрофизических процессов в «лабораторных условиях» и т.д.

Известны как различные способы, так и различные устройства для генерации импульсных переменных магнитных полей.

Известен способ получения импульсных переменных магнитных полей различной интенсивности для контролируемой магнитотерапии (Патент РФ 2796771), осуществляемый за счет установки на опорный диск вращения постоянных магнитов с формой, имеющей вид, подобный усеченному сектору, причем магниты устанавливаются в сменные картриджи таким образом, чтобы полярность полюсов магнитов чередовалась, при этом магниты в картриджах чередуются с секторами из немагнитных материалов, а число устанавливаемых в картриджи магнитов равно или больше и кратно 2.

Недостатком способа является невозможность генерации импульсного высокочастотного магнитного поля в диэлектрической сфере.

Известен способ генерации импульсного магнитного поля по патенту РФ 2343624, включающий размещение во внутренней полости соленоида полого цилиндра, выполненного из металла, обладающего низкой электропроводностью, создание начального магнитного поля пропусканием тока через обмотку соленоида, введение во внутреннюю полость цилиндра начального магнитного поля методом диффузии, сжатие магнитного поля движущимися в направлении оси полости стенками цилиндра, при этом полый цилиндр в момент сжатия магнитного поля принудительно приводится во вращение вокруг его оси. Способ может быть использован при генерации импульсных полей при помощи взрывомагнитных генераторов, например, в устройствах для получения мощных кратковременных импульсов тока.

Известен способ получения импульсных магнитных полей высоких энергий при питании индуктивной нагрузки от генератора ударной мощности (СССР №192922, Патент РФ 2331979, Сахаров А.Д. Взрывомагнитные генераторы. УФН, 1966, т. 88, № 5, с. 725-734; Павловский А.И., Людаев Р.З. Магнитная кумуляция в кн. Вопросы современной экспериментальной и теоретической физики. Наука, 1984, с. 206-270).

Недостатком способов является невозможность генерации импульсного высокочастотного магнитного поля в диэлектрической сфере и генерации пачек импульсов магнитного поля, кроме того, недостатком является разрушение генераторов импульсного магнитного поля после первого импульса.

Известен способ генерации квазистатического магнитного поля в лазерном канале, который образуется за фронтом короткого лазерного импульса, ионизирующего газ (И.М. Габдрахманов, В.Ю. Быченков, Генерация квазистатического магнитного поля лазерным импульсом с круговой поляризацией за счет туннельной ионизации газа, // Квантовая электроника, 2020, том 50, номер 9, 838-843). Генерация магнитного поля обусловлена возникновением анизотропии электронного давления при туннельной ионизации атомов.

Общим недостатком известных способов является невозможность получения импульсных высокочастотных магнитных полей в диэлектрической мезоразмерной сферической частице. Мезоразмерная сферическая частица имеет характерный размер не менее длины волны используемого излучения.

Известен способ генерации квазистационарного магнитного поля в кильватерном следе лазерного импульса, заключающийся в формировании короткого лазерного импульса заданной формы и большой интенсивности, облучении им докритической плазмы, проникновении лазерного импульса в плазму, появлении быстрых электронов и формировании результирующего квазистационарного дипольного магнитного поля, которое возникает из-за передачи энергии этих электронов в магнитное поле посредством электромагнитной неустойчивости (Лисейкина Т.В. Генерация магнитного поля при взаимодействии лазерного излучения с плазмой // Вычислительные технологии Том 3, №4, 1998; Haines M.G. Magnetic field generation in laser fusion and hotelectron transport. Can. J. Phys, 64, 1986.).

Недостатком известных способов является невозможность получения импульсных высокочастотных магнитных полей в диэлектрической мезоразмерной сферической частице.

В качестве прототипа выбран способ создания сильных магнитных полей в диэлектрических мезоразмерных частицах (Патент РФ 2795609), заключающийся в облучении сформированного монохроматического излучения сферической диэлектрической частицы, выполненной из прозрачного материала для используемого излучения и с мезоразмерным диаметром, формировании оптических вихрей внутри сферической диэлектрической частицы, возбуждения в частице суперрезонансных мод Ми высокого порядка и формирования горячих точек вокруг полюсов сферической частицы вдоль направления распространения излучения.

Недостатком известного способа является невозможность получения импульсных высокочастотных магнитных полей в диэлектрической мезоразмерной сферической частице.

Задачей заявляемого технического решения является разработка способа лазерной генерации импульсного магнитного поля в диэлектрической сфере.

Это достигается тем, что применяемый способ лазерной генерации импульсного магнитного поля в диэлектрической сфер, заключающийся в облучении сформированного монохроматического излучения сферической диэлектрической частицы, выполненной из прозрачного материала для используемого излучения и с мезоразмерным диаметром, формировании оптических вихрей внутри сферической диэлектрической частицы, возбуждения в частице суперрезонансных мод Ми высокого порядка и формирования горячих точек вокруг полюсов сферической частицы вдоль направления распространения излучения, новым является то, что в качестве монохроматического изучения применяется фемтосекундное импульсное лазерное излучение, а диэлектрическая частица облучается волной с плоским волновым фронтом.

Сущность заявляемого способа поясняется на примере устройства, реализующего этот способ.

Функциональная схема этого устройства представлена на Фиг. 1.

Обозначения: 1 - источник монохроматического излучения фемтосекундный лазер 2 - формирователь электромагнитной волны с плоским волновым фронтом (линзовая антенна, зеркальная антенна), 3 - электромагнитная волна с плоским волновым фронтом, 4 - сферическая диэлектрическая мезоразмерная частица, 5 - «горячие» точки в сферической частице, 6 - зонд высокочастотного магнитного поля в ближней зоне частицы, 7 - регистрирующее устройство (осциллограф, вольтметр).

Работа устройства происходит следующим образом (Фиг. 2). В качестве источника монохроматического электромагнитного излучения 1 может выступать, например, фемтосекундный лазер. Например, известен способ генерации ультракоротких световых импульсов фемто-аттосекундного диапазона длительности (Патент РФ 2469450), обеспечивающий возможность генерации импульсов длительностью в один оптический период. Известен способ формирования пакетов (групп) лазерных импульсов (Патент РФ 2657305), позволяющий формировать пакеты ультракоротких лазерных импульсов, с интервалами между соседними импульсами от 10 пс до 10 нс. Известен способ получения последовательности идентичных фемтосекундных импульсов с одинаковой разностью фаз между несущей и огибающей (патент РФ 2701209). Известен способ получения последовательности идентичных фемтосекундных импульсов для излучения с произвольной шириной спектра (Патент РФ 2760624) с возможностью селекции заданной разности фаз между несущей и огибающей для излучения с произвольной шириной спектра. Известны способы формирования импульсов аттосекундного диапазона длительности (М.Ю. Рябикин, М.Ю. Емелин, В.В. Стрелков // Успехи физических наук, 2023, том 193, № 4, с. 382-405).

Фемтосекундные лазеры генерируют импульсы длительностью от 100 фемтосекунд и меньше, до длительности в один оптический период (Ахманов С.А., Выслоух B.А., Чиркин А.С. Оптика фемтосекудных импульсов. M.: Наука, 1988. 312 c.). Важной особенностью фемтосекундного лазерного импульса является его широкополосность. Ширина спектра импульса Δωp обратно пропорциональна длительности tp и может составлять Δωp ~ 10¹⁵ - 10¹⁶ Гц для tp ~ 10^-12 - 10 ^-15 c. Столь широкий частотный диапазон позволяет осуществить в диэлектрической частице большого числа высокодобротных резонансных мод, так называемых мод шепчущей галереи и формировать суперрезонансные моды Ми высокого порядка с формированием горячих точек вокруг полюсов сферической частицы вдоль направления распространения излучения. Широкий спектр фемтосекундных импульсов способен возбуждать одновременно несколько мод шепчущей галереи в сферической диэлектрической частице, поля которых закладываясь друг на друга, обуславливают временную зависимость интенсивности суммарного поля в области ее максимума.

Например, для несущей частоты лазерного импульса равной 5,64 10¹⁴ Гц, что соответствует длине волны излучения λ≈0,532 мкм, и диэлектрической сферической частицы относительным диаметром d/λ≈22 мкм с показателем преломления 1,33 и длительности лазерного импульса t≈10 фемтосекунд максимальные значения интенсивностей электромагнитного поля достигаются вблизи поверхности сферы вдоль направления падения электромагнитной волны и соответствуют областям фокусировки (горячим точкам) падающей волны на передней и задней поверхностях частицы. При этом падающее магнитное поле может быть усилено примерно в 10⁶-10⁷ раз внутри диэлектрической сферы.

Резонанс внутреннего поля частицы 4 возникает при настройке частоты падающей волны 5 на частоту одной из собственных мод частицы 4. В этом случае происходит перестройка пространственной структуры внутреннего поля, приводящая к резкому увеличению интенсивности электромагнитного поля в областях фокусировки излучения (горячих точках) 5 локализации поля вблизи поверхности сферической частицы 4 с формированием кольцевых периодических структур в форме стоячих волн.

Импульсное электромагнитное излучение, сформированное источником 1, формируют с помощью формирователя электромагнитной волны 2, например, линзовой антенной или зеркальной антенны [Распространение радиоволн антенно-фидерные устройства В.П. Чернышев, Д. И. Шейнман «Связь», 1973.; Е. Г. Зелкин, Р.А. Петрова Линзовые антенны. М. Сов. радио, 1974 г, 277 с.; Шифрин Я.С. Антенны. - ВИРТА им. Гоборова Л.А., 1976. - С. 239-241. - 408 с.] в освещающую волну с плоским волновым фронтом 3, которая облучает сферическую мезоразмерную частицу 4, изготовленную из диэлектрика прозрачного для используемого излучения, например, из полимеров, стекла, кварца, керамики. При отклонении волнового фронта от плоского происходит уменьшение интенсивности электромагнитного поля в области горячих точек.

При облучении диэлектрической мезоразмерной частицы 4 импульсным электромагнитным излучением фемтосекундной длительности в ней могут сформироваться суперрезонансные моды Ми высокого порядка с формированием микро оптических вихрей и двух горячих точек 5, расположенных в верхней и нижней вершинах сферической частицы 4 вдоль направления распространения излучения. В окрестности полюсов такой диэлектрической сферы 4 наблюдается гигантское локальное усиление магнитного и электрического полей вблизи полюсов сферической частицы благодаря конструктивной интерференции одной резонансной моды с широким спектром мод внутри частицы.

При облучении сферической диэлектрической мезоразмерной частицы импульсной электромагнитной волной с плоским волновым фронтом 3 в частице может возникнуть резонанс с формированием горячих точек 5, когда интенсивность магнитного поля превышает интенсивность электрического поля на несколько порядков.

Как известно, магнитное поле возникает в результате изменяющегося во времени электрического поля (например, в электромагнитной волне) или оно генерируется движением электрических зарядов (например, током в соленоиде или движением заряженных частиц).

При взаимодействии переменного электромагнитного поля излучения, освещающего сферическую диэлектрическую частицу 4 и создающего в ней оптические вихри, на атомы материала сферической частицы 4 в области формирования оптических вихрей со стороны электромагнитного поля действует переменная во времени сила. Под действием поля электроны в материале диэлектрической сферы 4 начинают двигаться с ускорением. Движение зарядов в материале сферической частицы 4 по замкнутой траектории, в оптическом вихре, генерирует магнитное поле.

При облучении сферической частицы 4 импульсным излучением в материале частицы 4, например, выполненной из стекла, возникает оптическая нелинейность в горячих точках 5. Это эффект Керра (электронный) (Дж. В. Бимс. Двойное лучепреломление в электрическом и магнитном поле // Успехи физических наук, 1933, том XIII, вып. 2, стр. 211-215), что несколько изменяет параметры резонатора и, следовательно, смещает его режим. Эффект Керра локально повышает показатель преломления материала, считается мгновенным и не зависит от длительности лазерного импульса. Широкий спектр фемтосекундных импульсов обеспечивает поддержание условия возникновения резонанса мод высокого порядка в диэлектрической частице и формирования горячих точек.

В качестве зонда высокочастотного импульсного магнитного поля 6 могут использоваться, например, оптические магнитометры (А.К. Вершовский, А.К. Дмитриев. Микроразмерный квантовый трехкомпонентный магнитометр на основе азотно-вакансионных центров окраски в кристалле алмаза // Письма в ЖТФ, 2015, том 41, вып. 8, с. 78-86.; А.К. Вершовский, А.К. Дмитриев. Датчик слабого магнитного поля на основе азотно-вакансионных центров окраски в кристалле алмаза // Журнал технической физики, 2020, том 90, вып. 8, с. 1353-1359.; J.М. Taylor, P. Cappellaro, L. Childress, L. Jiang, D. Budker, P.R. Hemmer, A. Yacoby, R. Walsworth, and M.D. Lukin. - Nat. Phys. v. 4, 810, 2008; Патенты РФ 2654967, 2607840, 2776466, Патент US 8947080) обладающие высоким пространственным разрешением на уровне микро- и нанометров.

Зонд высокочастотного магнитного поля 6 располагается в ближнем поле сферической частицы 4 и сигнал с которого передается на регистрирующее устройство 7.

В результате математического моделирования, было установлено, что внутри диэлектрической сферы может существовать множество оптических вихрей, создаваться еще большие магнитные поля из-за возможности создания небольших оптических вихрей, возникающих в результате эффектов сверхколебаний, с большими фазовыми градиентами вблизи особенностей при фемтосекудном облучении диэлектрической сферической частицы. С увеличением числа резонансных мод уменьшается характерный размер оптического вихря и значит, увеличивается амплитуда формируемого магнитного поля.

Таким образом, бесконтактным способом в сферической диэлектрической частице формируются «катушки», формирующие высокочастотное импульсное магнитное поле.

В результате математического моделирования рассеяния импульсной электромагнитной волны диэлектрической сферической мезоразмерной частицей, выполненной из материалов с различным показателем преломления было установлено, что с ростом числа мод Ми высокого порядка увеличивается интенсивность магнитного поля. Диэлектрические частицы с малым поглощением и с характерными мезоразмерными величинами могут вызывать сильный магнитный отклик на падающую электромагнитную волну. Например, теоретически падающее магнитное поле может быть усилено в 10⁶-10¹⁰ раз внутри диэлектрической сферы, выполненной из материалов с показателем преломления более 1,3. Так в сферической частице с низким коэффициентом преломления (n=1,33) и q~70 возможно возбуждение Фано резонансов крайне высокого (l~86) порядка с существенным усилением (до 10⁷) интенсивностей магнитного и электрического полей.

Аналогичные результаты были получены для диэлектрической сферы, выполненной из материала с показателем преломления порядка 12. Однако при этом уменьшаются диаметр сферической частицы, номер резонансной моды и увеличиваются потери излучения на отражение от границы воздух-диэлектрик. Так же уменьшается диаметр магнитной горячей точки по сравнению со сферами из материалов с более низкими значениями показателями преломления. Кроме того увеличиваются требования к точности изготовления сферической диэлектрической частицы.

Сферическая диэлектрическая частица может быть изготовлена в оптическом диапазоне, например, из стекл с абсолютным показателем преломления от 1,43 до 2,17, минеральных стекл с показателем преломления вплоть до 1,9, двойного экстраплотного флинта с показателем преломления 1,927, оксида циркония (1,95), андрадита (гранат) - (1,880-1,940), оксидов редкоземельных элементов (La₂O₃, Pr₆O₁₁, Nd₂O₃, Sc₂O₃, Y₂O₃) имеющих показатель преломления от 1,9 до 2,1 [Яковлев П.П., Мешков Б.Б. Проектирование интерференционных покрытий / Серия: Библиотека приборостроителя. - М.: Машиностроение, 1987 - 185 с.], оксид индия - коэффициент преломления 1,95-2,10, силикона (Si) с показателем преломления 4 на длине волны 0,5 мкм.

Техническим результатом предлагаемого решения является возможность формирования высокочастотных магнитных полей фемтосекундной длительности в диэлектрической сферической мезоразмерной частице.

Использование: для лазерной генерации импульсного магнитного поля в диэлектрической сфере. Сущность изобретения заключается в том, что осуществляют облучение сформированным монохроматическим излучением сферической диэлектрической частицы, выполненной из прозрачного материала для используемого излучения и с мезоразмерным диаметром, формировании оптических вихрей внутри сферической диэлектрической частицы, возбуждении в частице суперрезонансных мод Ми высокого порядка и формировании горячих точек вокруг полюсов сферической частицы вдоль направления распространения излучения, при этом в качестве монохроматического изучения применяется фемтосекундное импульсное лазерное излучение, а диэлектрическая частица облучается волной с плоским волновым фронтом. Технический результат: обеспечение возможности формирования высокочастотных магнитных полей фемтосекундной длительности в диэлектрической сферической мезоразмерной частице. 2 ил.

Способ лазерной генерации импульсного магнитного поля в диэлектрической сфере, заключающийся в облучении сформированного монохроматического излучения сферической диэлектрической частицы, выполненной из прозрачного материала для используемого излучения и с мезоразмерным диаметром, формировании оптических вихрей внутри сферической диэлектрической частицы, возбуждении в частице суперрезонансных мод Ми высокого порядка и формировании горячих точек вокруг полюсов сферической частицы вдоль направления распространения излучения, отличающийся тем, что в качестве монохроматического изучения применяется фемтосекундное импульсное лазерное излучение, а диэлектрическая частица облучается волной с плоским волновым фронтом.