способ направленной транспортировки свч электромагнитного излучения

Формула изобретения

1. Способ направленной транспортировки СВЧ электромагнитного излучения в газовой среде, 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 видимого диапазона в указанном направлении вдоль стенок указанного волновода и транспортировку указанного СВЧ излучения по указанному волноводу в режиме скользящей моды колебаний, отличающийся тем, что в указанном направлении пропускают цуг следующих друг за другом с интервалом 2-10 нс 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: расстояния 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.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанный цуг состоит из импульсов филаментированного лазерного излучения с длительностью порядка 1 пс и с длиной волны , равной 353 нм с разбросом по длине волны порядка 2 нм.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанный цуг состоит из импульсов филаментированного лазерного излучения с длительностью порядка 1 пс и с длиной волны , равной 308 нм с разбросом по длине волны порядка 2 нм.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанный цуг состоит из импульсов филаментированного лазерного излучения с длительностью порядка 1 пс и с длиной волны , равной 248 нм с разбросом по длине волны порядка 2 нм.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанный цуг состоит из импульсов филаментированного лазерного излучения с длительностью порядка 1 пс и с длиной волны , равной 222 нм с разбросом по длине волны порядка 2 нм.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанный цуг состоит из импульсов филаментированного лазерного излучения с длительностью порядка 1 пс и с длиной волны , равной 193 нм с разбросом по длине волны порядка 2 нм.

7. Способ направленной транспортировки СВЧ электромагнитного излучения в газовой среде, 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 указанном направлении вдоль стенок указанного волновода и транспортировку указанного СВЧ излучения по указанному волноводу в режиме скользящей моды колебаний, отличающийся тем, что 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: расстояния 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.

8. Способ по п.2, отличающийся тем, что для поддержания существования указанного волновода используют указанные последующие импульсы лазерного излучения ультрафиолетового диапазона меньшей мощности, достаточной для подавления эффекта прилипания электронов к молекулам О₂.

9. Способ по п.7 или 8, отличающийся тем, что указанный цуг состоит из импульсов филаментированного лазерного излучения с длительностью порядка 1 пс и с длиной волны , равной 353 нм с разбросом по длине волны порядка 2 нм.

10. Способ по п.7 или 8, отличающийся тем, что указанный цуг состоит из импульсов филаментированного лазерного излучения с длительностью порядка 1 пс и с длиной волны , равной 308 нм с разбросом по длине волны порядка 2 нм.

11. Способ по п.7 или 8, отличающийся тем, что указанный цуг состоит из импульсов филаментированного лазерного излучения с длительностью порядка 1 пс и с длиной волны , равной 248 нм с разбросом по длине волны порядка 2 нм.

12. Способ по п.7 или 8, отличающийся тем, что указанный цуг состоит из импульсов филаментированного лазерного излучения с длительностью порядка 1 пс и с длиной волны , равной 222 нм с разбросом по длине волны порядка 2 нм.

13. Способ по п.7 или 8, отличающийся тем, что указанный цуг состоит из импульсов филаментированного лазерного излучения с длительностью порядка 1 пс и с длиной волны , равной 193 нм с разбросом по длине волны порядка 2 нм.

Описание изобретения к патенту

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.

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 О₂ и за счет того, что указанный цуг импульсов филаментированного лазерного излучения состоит из импульсов с длительностью около 1 пикосекунды и с длиной волны , 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.

На Фиг.2 приведена длина затухания скользящей моды в плазменном волноводе с различными радиусами R для длины волны СВЧ-излучения _СВЧ=8 мм.

На Фиг.3 приведена длина затухания скользящей моды в плазменном волноводе в субмиллиметровом диапазоне длин волн при плотности электронов N_e=5*10 ¹³ см^-3 (а), 10¹³ см^-3 (b) и 10¹² см^-3 (с).

На Фиг.4 приведено отношение интенсивностей СВЧ-излучения ( _СВЧ=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).

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 _{СВЧ СВЧ}/D. Для длины волны СВЧ-излучения _СВЧ~1 см имеем _СВЧ=5*10^-3 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]

где d - характерный размер СВЧ-излучателя (обычно не превосходит ~10 см), и P_D/P_eff - 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.

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_B >> _СВЧ) выполняется, если дифракционный угол расходимости СВЧ-излучения _СВЧ оказывается меньше угла полного внутреннего отражения , определяемого соотношением Cos =n, где n - показатель преломления ионизованного газа относительно воздуха, который задается плотностью свободных электронов в ионизованном воздухе N_e (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.

Формирование протяженных плазменных структур с высокой плотностью электронов N_e =10¹⁴÷10¹⁵ см^-3 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 =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.

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 =248 нм и энергией квантов h =5 эВ, как показали наши эксперименты, в диапазоне интенсивностей 10¹¹ I 3*10⁸ Вт/см² происходит преимущественно за счет двухступенчатого процесса ионизации молекул кислорода O₂, имеющих потенциал ионизации I_i=12,08 эВ:

Здесь O₂ ^* - некоторое промежуточное резонансное возбужденное состояние молекулы. При более высоких интенсивностях I 10¹¹ Вт/см² (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 R. Второй телескоп формирует требуемый трубчатый лазерный пучок с радиусом R.

Кольцевой лазерный пучок с внутренним радиусом R и шириной кольца R, обладающий расходимостью излучения , по мере распространения постепенно "расплывается": его радиус на расстоянии L составляет R_L R+ ·L, а ширина R_L= R+ L. При ~10^-5 рад (что много больше дифракционного предела _диф=0,61 /R=5·10^-7 рад) и L=1 км величина ·L=1 см. Для исходного радиуса R=30 см и R=1÷2 см радиус канала практически не меняется (R _L 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).

Здесь K₂ и K₃ - константы скоростей соответствующих процессов фотоионизации , I₀=I(z=0) - начальное значение интенсивности лазерных импульсов, которое находится из условия наработки требуемой концентрации электронов. В случае доминирования процесса ступенчатой ионизации с константой К₂=100 см/Вт²с [8], полагая, что прилипание электронов к молекуле О₂ полностью скомпенсировано обратным процессом фотоотрыва электронов (что справедливо для интенсивности лазерного излучения I 3*10⁷ Вт/см²), получаем, что для создания концентрации электронов N_e=10¹³ см^-3 цугом из n=50 импульсов с длительностью =1 пс необходима пиковая интенсивность импульсов:

.

Характерная длина истощения (на которой интенсивность лазерного излучения уменьшается в 2 раза) L ₀=(3h K₂I₀)^-1 930 м.

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_e 10¹⁶ см^-3 является их прилипание к молекуле кислорода с образованием электроотрицательного молекулярного иона O₂ ^-, 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 h . Для О₂ ^- ~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 и из соотношений

где - диэлектрическая проницаемость плазмы, характерный параметр задачи . Здесь R есть радиус плазменного волновода, - характерная плазменная частота, N_e есть плотность электронов в слабоионизованной плазме, _T - характерная транспортная частота столкновений электронов в плазме (с молекулами воздуха, ионами и электронами плазмы), и k₀ - частота и вакуумное волновое число СВЧ-излучения.

Значения величин и 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 ~1÷3 и ~0,2÷0,5. Режим скольжения заведомо выполнен при и µ 1.

В области миллиметровых и субмиллиметровых волн << _T (характерные значения транспортной частоты столкновений электронов слабоионизованной плазмы с нейтральными молекулами атмосферного воздуха _T~(1÷10)×10¹² c^-1 в зависимости от температуры электронов, (T_e~0,026÷1,5 эВ) и соотношения (6) можно представить в виде (полагая =1, =0)

В области высоких частот >> _T первое условие в (6) всегда выполняется, и остается лишь второе условие, которое может быть представлено (поскольку µ уже не зависит от длины волны _СВЧ) в вид

Вычисления, проведенные для волноводов с различными радиусами R и длины волны СВЧ-излучения _СВЧ=8 мм, показаны на Фиг.2. Для фиксированной длины волны излучения с _СВЧ=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 _e=10¹³ см^-3 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).

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 ( _СВЧ=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.

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 _СВЧ=8 мм вводилось с помощью рупорной антенны в плазменный волновод с R=60 мм и R=10 мм, в стенках которого с помощью излучения KrF лазера с длиной волны =248 нм создавалась концентрация электронов N_e ~10¹² см^-3. 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.

4. Для создания полого плазменного волновода используется цуг ультрафиолетовых импульсов пикосекундного диапазона длительностей и с высокой пиковой интенсивностью I₀~4,5*10¹⁰ Вт/см², 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 I² и I³, 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_e<10 ¹⁶ см^-3.

Так как пикововая мощность отдельных импульсов в цуге Р=2 R RI₀=8,5 ТВт (R=30 см, R~1 см, I₀=4,5*10¹⁰ Вт/см² ) на много порядков превышает критическую величину для филаментации ультрафиолетового лазерного излучения Р_кр 10⁸ 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_e~3*10¹⁵÷10¹⁶ см^-3 - будет существенно превышать среднее значение N_e ~10¹³ см^-3. При этом полная энергия лазерного излучения в цуге из 50 импульсов составляет ~430 Дж.

5. Первые несколько ультрафиолетовых импульсов из цуга пикосекундных импульсов с высокой интенсивностью I~4,5*10¹⁰ Вт/см ² используются 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_кр 10⁸ Вт и, как следствие, при расстоянии между филаментами меньше длины волны СВЧ-излучения. Последующие импульсы с меньшей пиковой интенсивностью I~10⁸ Вт/см² служат для поддержания ионизации в указанном волноводе в течение времени, требуемого для передачи СВЧ сигнала за счет эффекта фотоотрыва электронов от молекул O₂ ^-.

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 =193 нм), KrCl ( =222 нм), KrF ( =248 нм), XeCl ( =308 нм), XeF ( =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

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/см² 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.

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 10¹³ см^-3, 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 Н₁₁ 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