Новый способ передачи СВЧ-сигнала по плазменному волноводу
Плазменный канал для передачи энергии на расстояние, о котором когда-то говорил знаменитый инженер Никола Тесла, — уже не фантастика. Ученые из Физического института им. П.Н. Лебедева РАН научились создавать плазменные СВЧ-волноводы прямо вдоль своего рабочего коридора.
Благодаря новому способу транспортировки СВЧ-сигнала в скользящем режиме, разработанному специалистами ФИАНа, можно достичь рекордной дальности — не менее 1 км. Создание протяженных плазменных структур стало возможным после обнаружения в конце прошлого века нитевидных плазменных следов от мощных ультракоротких лазерных импульсов. Такие плазменные нити (филаменты) образуются за счет самофокусировки высокоинтенсивного излучения и ионизации газовой среды (например, атмосферного воздуха), а сам процесс их образования называется филаментацией. Используя этот эффект для лазерного пучка кольцевого сечения (его получают с помощью специальных конических линз — аксиконов или адаптивной оптики), можно из филаментов создать полый цилиндрический плазменный волновод. Если диаметр такого волновода сравним с длиной волны передаваемого СВЧ-излучения, то он будет подобен традиционному металлическому волноводу объемных мод, где распространение сигналов обеспечивается высокой проводимостью стенок. Однако проводимость плазмы намного меньше, и СВЧ волны затухают в плазменном волноводе всего через несколько метров. Решение проблемы дальности может быть найдено на основе идеи сотрудника ФИАН Гургена Аскарьяна, ещё в 1960-х годах предложившего создать с помощью ультрафиолетового лазера волновод, в котором СВЧ-излучение отражается от плазменных стенок при скользящих углах падения. Правда, достаточно мощных УФ лазеров для воплощения идеи в то время не существовало.
«Эффект полного внутреннего отражения работает, например, в оптических волокнах, когда лазерный импульс без потерь проходит многие десятки, а то и сотни километров благодаря тому, что показатель преломления внешней части волокна несколько меньше, чем в его центре. В плазменном волноводе показатель преломления не ионизованного воздуха в центре немного больше, чем в окружающей плазме. И здесь также есть предельный угол, при котором СВЧ излучение отражается от стенок, не выходя из волновода, хотя какие-то потери из-за поглощения в плазме все же существуют», — рассказывает руководитель работы, ведущий научный сотрудник ФИАН кандидат физико-математических наук Владимир Зворыкин. Для получения волновода в экспериментах ученые использовали ультрафиолетовое излучение криптон-фторового лазера ГАРПУН. Это мощная лазерная система с энергией излучения около 100 Дж и длительностью импульса 100 нс на длине волны 248 нм. Это излучение хорошо ионизует воздух, так как у него большая энергия квантов — около 5 эВ. В результате впервые удалось продемонстрировать захват и распространение СВЧ излучения с длиной волны 8,5 мм в скользящем плазменном волноводе на расстояние в несколько десятков метров.
Однако несколько десятков метров — далеко не предел. Как выяснил старший научный сотрудник ФИАН, кандидат физико-математических наук Игорь Сметанин, выполнивший подробное теоретическое изыскание, для того, чтобы в скользящем плазменном волноводе передавать СВЧ излучение на 1-2 км, необходимо выполнять два условия. Во-первых, поддерживать определенную концентрацию электронов — не менее 1012-1013 см-3, и, во-вторых, выдерживать диаметр волновода как минимум в десять раз больше длины волны передаваемого СВЧ излучения. Чтобы уменьшить энергетические затраты на формирование столь протяженного плазменного волновода в атмосферном воздухе, было предложено использовать цуг («пакет») ультракоротких УФ лазерных импульсов. А чтобы получить большую концентрацию электронов, необходимо повышать интенсивность лазерного излучения. «Мы пошли путем сокращения длительности лазерного импульса. Учитывая ограниченное время жизни свободного электрона в воздухе, для поддержки долгоживущего плазменного волновода период следования импульсов в цуге должен быть меньше 10 нс.
В решении поставленной таким образом задачи криптон-фторовые лазеры подходят идеально — благодаря короткому времени восстановления усиления в их активной среде получаются цуги импульсов с периодом следования порядка 2 нс. Кроме «наработки» новых фотоэлектронов, с помощью цуга импульсов можно накапливать электроны, отрывая их от электроотрицательных молекул кислорода.
Использование плазменных СВЧ-волноводов и рупоров может существенно повысить точность и дальность действия радиолокационных устройств. Из других практических применений можно упомянуть активные системы защиты от молний, основанные на возможности управления молниевым разрядом путем создания в атмосфере протяженных проводящих плазменных каналов.
На фото: криптон-фторовый лазерный усилитель и оптика для формирования ультрафиолетового кольцевого пучка, использующиеся для создания плазменного СВЧ-волновода.
