RU2101745C1 - Method for converting electromagnetic radiation energy of optical or lower-frequency range into wave excitation energy of nonlinear media - Google Patents

Method for converting electromagnetic radiation energy of optical or lower-frequency range into wave excitation energy of nonlinear media Download PDF

Info

Publication number
RU2101745C1
RU2101745C1 RU96109165A RU96109165A RU2101745C1 RU 2101745 C1 RU2101745 C1 RU 2101745C1 RU 96109165 A RU96109165 A RU 96109165A RU 96109165 A RU96109165 A RU 96109165A RU 2101745 C1 RU2101745 C1 RU 2101745C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
frequency
energy
radiation
medium
plasma
Prior art date
Application number
RU96109165A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU96109165A (en
Inventor
Давид Абрамович Цырульников
Виталий Васильевич Аристов
Original Assignee
Давид Абрамович Цырульников
Виталий Васильевич Аристов
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Давид Абрамович Цырульников, Виталий Васильевич Аристов filed Critical Давид Абрамович Цырульников
Priority to RU96109165A priority Critical patent/RU2101745C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2101745C1 publication Critical patent/RU2101745C1/en
Publication of RU96109165A publication Critical patent/RU96109165A/en

Links

Images

Abstract

FIELD: plasma electronics; generation and amplification of electromagnetic microwave oscillations or waves for heating nonlinear media including plasma. SUBSTANCE: method involves the following procedures: electromagnetic radiation is passed through nonlinear medium; electromagnetic radiation with arbitrary spectrum width is subjected to pulse-position modulation by constant-frequency oscillations so that set of frequencies equally spaced apart through modulation frequency corresponded to each carrier frequency of source nonmodulated radiation in frequency spectrum of modulated radiation; nonlinear medium and modulation frequency are chosen so that inherent frequency of wave excitations of nonlinear medium were equal to or a multiple of modulation frequency; synchronism condition is provided for harmonics of modulated source radiation and induced wave excitations interacting in nonlinear medium. In addition, energy of wave excitations occurring in nonlinear medium is stored by passing modulated electromagnetic radiation over closed loop many times through same section of nonlinear medium using one or more resonators. EFFECT: improved conversion efficiency. 15 cl, 4 dwg

Description

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. The invention relates to methods for converting the energy of optical or lower-frequency electromagnetic radiation into various types of energy depending on the types of wave excitations of a nonlinear medium: molecular, acoustic, electric, temperature, plasma wave excitations, etc., and can be used in plasma electronics to generate and amplification of electromagnetic microwave oscillations or waves for heating a non-linear medium, including plasma.

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.
A known method of converting the energy of intense optical monochromatic, for example laser, radiation into the energy of wave excitations of a nonlinear medium, which consists in transmitting intense coherent laser radiation through a nonlinear medium. The basis of this method is the phenomenon of stimulated light scattering [1]
In this case, for efficient energy conversion, the condition of synchronism should be fulfilled for the incident laser wave, scattered laser wave, and wave excitations induced in the medium interacting in a nonlinear medium.

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. The considered method allows the conversion of the energy of the initial intense optical (laser) radiation into the energy of various wave excitations of a nonlinear medium, depending on the type of stimulated scattering. In particular, in stimulated Raman scattering (SRS), a nonlinear medium is converted into energy of molecular wave excitations, in stimulated Mandelstamm-Brillouin scattering (SBS), acoustic wave excitations are converted into energy, etc.

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. However, this method has a low efficiency of converting the energy of intense optical (laser) radiation into the energy of wave excitations of a nonlinear medium (as a rule, the conversion efficiency is less than hundredths of a percent) and, in addition, for optical radiation with a wide spectrum, energy conversion is not possible by the above method.

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

Figure 00000002
), подобранными таким образом, чтобы разность частот W1-W2 совпадала с частотой Ωi 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).A known method of converting the energy of optical radiation into the energy of wave excitations of a nonlinear medium, adopted as a prototype, including transmitting optical radiation through a nonlinear medium [2]
In this method, the initial optical radiation propagating in a nonlinear medium is a superposition of two plane monochromatic waves with frequencies W 1 and W 2 (and wave vectors
Figure 00000002
), selected so that the frequency difference W 1 -W 2 coincides with the frequency Ω i of one of the natural resonances of the medium, i.e. with one of the natural frequencies of wave excitations, in the case under consideration, with the Langmuir (plasma) frequency of wave excitations in a plasma (Langmuir wave excitations or wave excitations of space charge density or plasma excitations).

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.In this case, the conversion of a part of the energy of the initial optical radiation, which is a two-frequency laser radiation with frequencies W 1 and W 2, into the wave excitation energy of a plasma with a Langmuir frequency is used to accelerate charged particles.

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= Ωi
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 Ωi/W1 которая, как правило, меньше сотых долей процента, и для оптического излучения с широким спектром преобразование энергии вышеуказанным способом невозможно.
This method of energy conversion is valid for the initial two-frequency electromagnetic radiation with frequencies W 1 and W 2 in the lower frequency range, for example, the microwave range, provided that W 1 -W 2 = Ω i
Although the implementation of this method is also possible with two-frequency laser radiation of low power, in general, this method has the same disadvantages as the previous one. The maximum efficiency of this method, as well as the previous one, cannot exceed the value of Ω i / W 1 which, as a rule, is less than hundredths of a percent, and for optical radiation with a wide spectrum, energy conversion by the above method is impossible.

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. The proposed invention solves the problem of increasing the efficiency of converting the energy of electromagnetic radiation with an arbitrary spectral width (both monochromatic or quasimonochromatic, and radiation with a wide spectrum) into the energy of wave excitations of a nonlinear medium.

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. This goal is achieved by the fact that in the known method of converting the energy of electromagnetic radiation of the optical or lower frequency range into the energy of wave excitations of a nonlinear medium, including the transmission of optical or lower frequency electromagnetic radiation through a nonlinear medium, it is new that the original electromagnetic radiation with an arbitrary spectrum width is modulated in time by oscillations of a constant frequency so that in the frequency spectrum of the modulated electromagnetic radiation, each carrier frequency of the initial unmodulated electromagnetic radiation (i.e., each frequency of the initial radiation before modulation) corresponded to many frequencies equally spaced from each other by the modulation frequency, the nonlinear medium and the modulation frequency are selected so that the natural frequency of these wave excitations of the nonlinear medium is equal to or a multiple of the modulation frequency, while the condition of synchronism for interacting in a nonlinear medium harmonics (spectral components) of the modulated initial radiation and data of wave excitations induced in the medium.

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. A higher efficiency of converting the energy of electromagnetic radiation of the optical or lower frequency range into the energy of wave excitations of a nonlinear medium is achieved due to the interaction between the many harmonics of modulated radiation (spectral components of modulated radiation) and wave excitations in a nonlinear medium. This interaction occurs due to the propagation in this medium of many harmonics of modulated radiation with frequencies that differ from each other by the modulation frequency, provided that the modulation frequency and the nonlinear medium are selected in the above way, and this interaction will be most effective if the synchronism condition is fulfilled.

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. In this case, the condition of synchronism is the condition of effective energy exchange during the interaction in the nonlinear medium of harmonics (spectral components) of the modulated initial radiation and wave excitations induced in this medium, which consists in maintaining certain phase relations between harmonics and wave excitations throughout the interaction region. In particular, the phase incursion over the entire interaction region for harmonics of modulated radiation and wave excitations interacting in a given medium should not exceed π, which implies that the synchronism condition can be satisfied when the phase velocities in the medium of interacting harmonics and wave excitations are equal.

В самом общем случае в данном изобретении всегда существует определенный размер нелинейной среды вдоль направления распространения промодулированного излучения Lo≤Lког (где Lког 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.In the most general case of the present invention there is always a certain amount of nonlinear medium along the propagation direction of the radiation modulated by L o ≤L COH (wherein L coh coherent interaction length or coherence length), in which all the phase velocities of the interacting media in the harmonic wave and the excitation can be considered the same, i.e. there always exists the size of a nonlinear medium on which the condition of synchronism is satisfied automatically without special measures. This is true both in the case of wave excitations without dispersion and in the case of wave excitations in a nonlinear medium with dispersion.

Для осуществления условия синхронизма при размерах нелинейной среды (вдоль направления распространения модулированного излучения) Lo>Lког 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.To fulfill the condition of synchronism with the dimensions of a nonlinear medium (along the direction of propagation of modulated radiation) L o > L coh , special measures must be taken. In particular, in the case of the original electromagnetic radiation of the microwave range in the present invention, it is possible to use moderators in the form of spirals to match the phase velocities of the harmonics of the modulated microwave radiation and wave excitations in a nonlinear medium.

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. The converted electromagnetic radiation in the present invention can be both optical and lower frequency, for example, radio emission, in particular microwave radiation, both continuous and pulsed, and have an arbitrary spectrum width.

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.). Monochromatic or quasi-monochromatic radiation, radiation with a wide spectrum (for example, laser radiation or light from incandescent lamps, mercury lamps, solar radiation, etc.) can be used as converted electromagnetic radiation.

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. As nonlinear media, various nonlinear media can be used, in particular dielectric media with an inversion center: centrosymmetric crystals, gases, liquids, as well as plasma, etc.

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. The geometry of the shape of these media can be different, along with lengthy extended nonlinear media, nonlinear media with fiber or waveguide geometry can be used, i.e. media with transverse dimensions commensurate with the wavelength of the source electromagnetic radiation.

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. To implement the modulation of the source of electromagnetic radiation in the present invention, the following types of modulation can be used: modulation of the source radiation in phase or frequency by oscillations of a constant frequency, including harmonic oscillations; amplitude modulation by periodic non-harmonic oscillations of constant frequency, including pulse modulation.

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. With these types of modulation, the basic condition for modulating the radiation in this invention is fulfilled, namely: in the frequency spectrum of the modulated electromagnetic radiation of the optical or lower frequency range, each carrier frequency of the initial unmodulated radiation (i.e., each frequency of the initial radiation before modulation) must correspond many frequencies equally spaced from each other by the modulation frequency.

Для дальнейшего повышения КПД данного преобразования можно дополнительно накапливать энергию возникающих в нелинейной среде волновых возбуждений. To further increase the efficiency of this transformation, one can additionally accumulate the energy of wave excitations arising in a nonlinear medium.

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. An additional accumulation of energy of wave excitations of a nonlinear medium can be achieved by repeatedly passing the modulated initial electromagnetic radiation through a closed circuit through the same section of the nonlinear medium. In this case, multiple passage of modulated radiation along a closed loop through the same section of a nonlinear medium can be achieved using elements such as mirrors, prisms, etc.

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. For additional energy storage of wave excitations of a nonlinear medium, resonators can be used that can accumulate the energy of these wave excitations with a resonant frequency that coincides with the frequency of these wave excitations, while the nonlinear medium can be placed both inside and outside the resonator. Such energy storage is possible only for types of wave excitations for which there are corresponding resonators. Only acoustic resonators are able to accumulate the energy of acoustic wave excitations of a nonlinear medium, only electromagnetic resonators can accumulate the energy of electromagnetic wave excitations of a nonlinear medium, etc. The higher the quality factor of resonators capable of storing the energy of these wave excitations of the medium, the more efficient the accumulation process. When a nonlinear medium is placed outside the resonator, the transformed energy of wave excitations of a nonlinear medium (for example, electromagnetic wave excitations) can be removed from the medium, brought to the resonator, and stored in it. A nonlinear medium can be placed inside the resonator (for example, inside a volumetric microwave resonator in the case of high-frequency (microwave) electromagnetic wave excitations of a nonlinear medium), while the process of accumulating the converted wave excitation energy will be carried out directly in the medium placed in this resonator. You can also use several such resonators that can accumulate the energy of these wave excitations with the same resonant frequency, which coincides with the frequency of these wave excitations. For this, the converted wave air energy accumulated in the first resonator (resonator of the first stage) is fed to the second resonator (resonator of the second stage), where the accumulation process continues. Then, the energy stored in the second resonator is supplied for subsequent storage to the third resonator (resonator of the third stage), etc.

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 Ti существенно превосходило период модулирующих колебаний постоянной частоты Tмод (Ti>> Tмод), где

Figure 00000003
частота модуляции.The most effective for this conversion is laser radiation, due to the possibility of achieving high power and low angular divergence. In the case of pulsed laser radiation, it is necessary that the pulse duration time T i substantially exceeds the period of modulating oscillations of a constant frequency T mod (T i >> T mod ), where
Figure 00000003
modulation frequency.

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. In the case of using solar radiation as the initial radiation, this invention allows to convert the energy of solar radiation into the energy of high-frequency electromagnetic wave excitations of a nonlinear medium, for example, plasma, i.e. convert the energy of solar radiation into electromagnetic energy of the microwave range.

Из всех видов модуляции, используемых в данном изобретении, самым простым и эффективным является модуляция по фазе или частоте гармоническими колебаниями постоянной частоты. Of all the modulations used in this invention, the simplest and most effective is the modulation in phase or frequency by harmonic oscillations of a constant frequency.

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. The use of nonlinear media with fiber or waveguide geometry in this invention allows one to control dispersion, as well as to achieve high electromagnetic field strengths in the medium at sufficiently low levels of the initial radiation power, which leads to an increase in the energy conversion efficiency, all other things being equal.

Особо следует отметить, что в качестве нелинейной среды в данном изобретении можно использовать плазму. Of particular note, plasma can be used as a non-linear medium in this invention.

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 > Ωe, где Ωe- ленгмюровская частота.In a plasma, which is a partially or fully ionized gas, in which the densities of positive and negative charges are almost the same, the following wave excitations can occur: longitudinal with Langmuir frequency (Langmuir or plasma or space charge density excitations), longitudinal ion-sound, transverse electromagnetic frequency W> Ω e , where Ω e is the Langmuir frequency.

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. The magnetic field significantly changes the wave properties of the plasma. When a plasma is placed in a magnetic field, the number of possible wave excitations in the plasma, into the energy of which the energy of the initial electromagnetic radiation of the optical or lower frequency range can be converted, increases.

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. The properties of a set of mobile charged particles in solid conductors (conduction electrons in metals or electrons and holes in semiconductors) can be close to the properties of a gas-discharge plasma. A similar set of mobile charged particles in a solid is called a solid state plasma. The solid state plasma can also be used in this invention as a nonlinear medium for converting various kinds of wave excitations into energy that can arise in a solid state plasma.

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. The proposed method of energy conversion allows heating of a nonlinear medium, in particular plasma. To heat a nonlinear medium, a medium is chosen in which wave excitations could dissipate into heat. Next, it is necessary to convert these wave excitations into energy by the proposed method, while the converted energy of these wave excitations of a nonlinear medium will dissipate into heat, heating this medium.

Предлагаемое изобретение позволяет осуществлять усиление, умножение частот и генерацию высокочастотных электромагнитных колебаний или воды, в частности электромагнитных колебаний или волн СВЧ-диапазона. The present invention allows amplification, multiplication of frequencies and the generation of high-frequency electromagnetic waves or water, in particular electromagnetic waves or microwave waves.

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. To amplify using the proposed method a high-frequency electromagnetic signal, which is high-frequency electromagnetic oscillations generated from an independent high-frequency generator, it is necessary to modulate the initial electromagnetic radiation of the optical or lower frequency range with these oscillations, select a nonlinear medium so that this medium is capable of occurring in it high-frequency electromagnetic wave excitations with a frequency that matches the mode frequency ulation (i.e., with the frequency of amplified oscillations). When the converted electromagnetic energy of these high-frequency wave excitations is removed from the medium, high-frequency oscillations are obtained with the same frequency as the amplified oscillations, which modulate electromagnetic radiation, but are more powerful, i.e. amplification of modulating oscillations occurs.

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. In this case, the amplification of high-frequency oscillations, which modulate the initial electromagnetic radiation, occurs due to the conversion of the energy of the original electromagnetic radiation of the optical or lower frequency range into the energy of high-frequency electromagnetic wave excitations of a nonlinear medium.

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). To generate high-frequency electromagnetic oscillations, it is necessary in the above case of amplification of electromagnetic oscillations to carry out positive feedback using a feedback circuit between amplified high-frequency oscillations output from the medium (output of the amplification circuit) and amplified modulating oscillations (input of the modulator or input of the amplification circuit).

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. To multiply frequencies, i.e., to increase an integer number of times the frequency of electromagnetic high-frequency oscillations in the above case of amplification of electromagnetic oscillations, a nonlinear medium is selected so that the natural frequency of high-frequency electromagnetic wave excitations of the nonlinear medium is a multiple of the modulation frequency (i.e., the frequency of electromagnetic oscillations that modulate the initial electromagnetic radiation of the optical or lower frequency range). In this case, using the proposed method, the medium is converted into energy of electromagnetic wave excitations with a frequency that is a multiple of the modulation frequency, and when the electromagnetic energy of these excitations is removed from the medium, high-frequency oscillations are obtained with a frequency an integer number of times higher than the frequency of the initial modulating oscillations.

На фиг. 1-4 приведены примеры преобразования энергии исходного электромагнитного излучения оптического или более низкочастотного диапазона в энергию волновых возбуждений нелинейной среды предлагаемым способом. In FIG. 1-4 are examples of energy conversion of the initial electromagnetic radiation of the optical or lower frequency range into the energy of wave excitations of a nonlinear medium by the proposed method.

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. In FIG. 1 shows a diagram of the conversion of the energy of the initial laser radiation into the energy of Langmuir plasma wave excitations; in FIG. 2 is a diagram of amplification of high-frequency electromagnetic waves using the proposed method of energy conversion; in FIG. 3 is a diagram of generating high frequency electromagnetic waves based on the present invention; in FIG. 4 is a plasma heating circuit using the present invention.

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. List of positions: 1 collimated laser beam; 2 - modulator; 3 modulated laser radiation; 4 electron-ion plasma formed by a direct current discharge; 5 transparent glass flask; 6, 7 cathode and anode of an arc discharge; 8 modulating high-frequency electromagnetic signal (modulating oscillations); 9 - electromagnetic resonator; 10 feedback circuit; 11 beam splitting mirror; 12, 13, 14 mirrors.

Пример 1. Осуществление преобразования энергии исходного лазерного излучения в энергию ленгмюровских волновых возбуждений плазмы. Example 1. The implementation of the conversion of the energy of the original laser radiation into the energy of the Langmuir wave excitations of the plasma.

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. In FIG. 1, a high-frequency signal 8, which is harmonic electromagnetic waves and generated from an independent high-frequency generator, is fed to a modulator 2, with which modulate the initial continuous-wave laser radiation 1 in phase (or frequency) by harmonic modulating oscillations of a constant frequency.

В качестве модуляторов, осуществляющих модуляцию по фазе исходного излучения 1 высокочастотными колебаниями на фиг. 1-4 могут использоваться электрооптические модуляторы, работающие на эффекте Поккельса. As modulators performing phase modulation of the initial radiation 1 by high-frequency oscillations in FIG. 1-4, electro-optical Pokkels modulators can be used.

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. A modulator can also be a mirror oscillating with a frequency Ω. For this purpose, the mirror is either directly attached to the end of the piezoelectric transducer, or the reflective coating is sprayed onto the end of the piezoelectric transducer. When an electromagnetic signal with a constant frequency W is applied to a piezoelectric transducer, it begins to vibrate with a frequency W together with a mirror or with a mirror coating due to the inverse piezoelectric effect. The initial radiation 1, reflected from such a mirror oscillating with a given frequency W, is modulated by the above method.

Частота модулирующего сигнала (т. е. частота модуляции) W должна быть равна или близка ленгмюровской частоте We данной плазмы 4, т.е. Ω = Ωe
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.
The frequency of the modulating signal (i.e., the modulation frequency) W must be equal to or close to the Langmuir frequency W e of a given plasma 4, i.e. Ω = Ω e
The laser radiation 3 modulated by a high-frequency modulating signal is passed through a plasma 4 placed in a transparent glass flask 5. An electron-ion plasma is created using a direct current discharge, for which a cathode 6 and an anode 7 of an arc discharge are used.

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 Lo≤Lког (где Lког длина когерентного взаимодействия или длина когерентности), что приводит к автоматическому осуществлению условия синхронизма. В рассматриваемом случае размер Lког определяется следующим образом (см. выражение 4).The synchronism condition is fulfilled for the harmonics of modulated laser radiation interacting in the plasma and Langmuir wave excitations. For this plasma dimension along the direction of propagation of the modulated laser beam is selected to be L o ≤L COH (wherein L coh coherent interaction length or coherence length) that leads to the automatic implementation of synchronism condition. In the case under consideration, the size L coh is determined as follows (see expression 4).

Figure 00000004

где C скорость света в вакууме;
Figure 00000005
коэффициент преломления плазмы на частоте омега0 исходного лазерного излучения
Figure 00000006
коэффициент преломления плазмы на частотах, приближающихся к ленгмюровской частоте.
Figure 00000004

where C is the speed of light in vacuum;
Figure 00000005
plasma refractive index at omega 0 frequency of the initial laser radiation
Figure 00000006
plasma refractive index at frequencies approaching the Langmuir frequency.

Отсюда следует, что при значениях ленгмюровской частоты плазмы порядка сотен мегагерц Ωe ≈108 Гц), размер Lког исчисляется метрами.It follows that when the plasma Langmuir frequency is of the order of hundreds of megahertz (Ω e ≈10 8 Hz), the size of L coh is calculated in meters.

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). In this case, when the laser radiation modulated in phase (or frequency) is transmitted through the plasma, the energy of this laser radiation will be converted into the energy of plasma wave excitations with a Langmuir frequency (Langmuir plasma wave excitations).

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. Example 2. The implementation of the amplification of high-frequency electromagnetic waves by converting the energy of the original laser radiation into the energy of the Langmuir wave excitations of the plasma, followed by the withdrawal of the converted energy from the plasma.

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 Ωe 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.The same as in example 1, only for the implementation of amplification of high-frequency electromagnetic waves 8, in the circuit of FIG. 2, these amplified vibrations using modulator 2 modulate the laser radiation 1 in the above manner. Plasma 4 is selected so that the Langmuir plasma frequency Ω e coincides with the frequency Ω of the amplified oscillations 8 (i.e., with the modulation frequency). The converted energy is removed from plasma 4 and, with the aim of increasing the efficiency of this conversion, is supplied using a coaxial cable or waveguide to an electromagnetic resonator 9 with a resonant frequency (or with one of the resonant frequencies, if there are several), coinciding with the Langmuir frequency. In the resonator 9 there is an additional accumulation of converted energy output from the plasma.

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. As a result, a high-frequency signal with the same frequency as the amplified, but more powerful, i.e. the signal is amplified due to the energy of laser radiation, which is converted into the energy of the Langmuir wave excitations of the plasma by the proposed method.

Чем выше добротность резонатора 9, тем эффективнее протекает процесс преобразования энергии и тем выше коэффициент усиления. The higher the quality factor of the resonator 9, the more efficiently the energy conversion process proceeds and the higher the gain.

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. Calculations show that when using resonators with a very high Q factor, for example, cryoelectronic superconducting resonators, the efficiency of this energy conversion can reach 90% even at relatively low powers (of the order of one watt) of the initial laser radiation.

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.With a change in the concentration of charges in the plasma, it is possible to change the Langmuir frequency of the plasma and thereby vary the frequency at which amplification is possible. For achievable concentrations of charges of the order of 10 9 -10 14 cm -3, the Langmuir frequency can lie in the range of decimeter, centimeter, and even millimeter waves.

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. Example 3. The same as in example 2, only to prevent the loss of converted energy when outputting from plasma 4 and supplying to the resonator 9, as the resonator 9 in the circuit of FIG. 1, microwave resonators with a capacitive gap can be used, and a glass flask with plasma can be placed in the capacitive gap of this resonator.

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. Example 4. The same as in example 2, only for additional accumulation of converted energy using several resonators combined in cascades. To do this, the converted energy stored in the resonator 9 using a coaxial cable or waveguide can be fed to the next resonator with the same resonant frequency (resonator of the second stage), in which the process of accumulation of the converted energy will continue, etc. To prevent the influence of each subsequent resonator on the previous one, you can use valves located between the resonators and transmitting the converted energy in only one direction from the previous resonator to the next, for example, ferrite valves.

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 > We ), 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.Example 5. The same as in example 2, only the energy of the initial laser radiation 1 is converted into the energy of the transverse transverse electromagnetic wave excitations of the microwave range with a frequency greater than Langmuir (w> W e ), including the energy of microwave wave excitations plasma placed in a magnetic field. In this case, the frequency of the amplified modulating signal (i.e., the modulation frequency) should coincide with the frequency of the data of the transverse electromagnetic wave excitations of the microwave range in the plasma and with the resonant frequency of the microwave resonator 9, in which the converted energy is accumulated. In this case, the plasma through which the modulated laser radiation is passed can also be located inside the volumetric microwave resonator with the above resonant frequency. The energy conversion efficiency values in the example under consideration are the same as in example 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.
Example 6. The same as in example 2, only as the initial radiation using solar radiation. In this case, the amplification of the high-frequency modulating signal occurs due to the conversion of the energy of solar radiation into the energy of the Langmuir wave excitations of the plasma with subsequent removal from the plasma and the accumulation of the converted microwave energy in the cavity. The efficiency values of the considered energy conversion can reach 70%
Example 7. The same as in example 6, only additionally using a rectifier device, such as a microwave rectifier, further energy is converted from the amplified high-frequency signal into direct or alternating current energy by rectifying this signal.

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. Example 8. The same as in example 2, only instead of a glass flask 5 filled with plasma 4, a thin glass tube filled with plasma is used with transverse tube dimensions comparable with the wavelength of the original laser radiation, i.e. use a plasma waveguide.

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. The waveguide or fiber geometric shape of the plasma in this case allows one to achieve high electromagnetic field strengths in the plasma at sufficiently low power levels of the initial laser radiation. As a result, either the requirements for the power of the original laser radiation are reduced when the same energy conversion efficiency is achieved as in Example 2, or the requirements for the Q factor of the resonators are reduced, compared with Example 2, to achieve similar efficiency.

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). Example 9. The same as in example 8, only as a plasma waveguide used a narrow plasma cylinder with the above transverse dimensions, held by magnetic pressure when placing the plasma in a magnetic field (plasma waveguide with a free boundary).

Пример 10. То же, что и в примере 8, только в качестве плазменного волновода используют плазму твердого тела. Example 10. The same as in example 8, only as a plasma waveguide using solid state plasma.

Пример 11. Осуществление умножения частот высокочастотного электромагнитного сигнала. Example 11. The implementation of the frequency multiplication of the high-frequency electromagnetic signal.

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 Ωe данной плазмы 4 была кратна частоте модуляции, (т.е. частоте Ω усиливаемого сигнала) We=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.The circuit of FIG. 2 can operate in a frequency multiplication mode, i.e. increase by an integer number of times the frequency of the electromagnetic signal received at the input, in this case the high-frequency modulating signal 8. For this, the plasma is selected so that the Langmuir frequency Ω e of this plasma 4 is a multiple of the modulation frequency ((i.e., the frequency Ω of the amplified signal) W e = nΩ where n = 2, 3. In this case, at the output of the resonator 9, due to the conversion of the laser radiation energy into Langmuir plasma wave excitations, followed by the output of the converted energy from the plasma and its accumulation in the resonator, high-frequency signal with a frequency coinciding with the Legnmuir and multiple frequencies of the modulating signal, i.e. multiplying the frequency of the input modulating signal by an integer number of times.

Пример 12. Осуществление генерации высокочастотных электромагнитных колебаний. Example 12. The implementation of the generation of high-frequency electromagnetic waves.

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. The same as in Example 2, only for converting the high-frequency electromagnetic signal amplification circuit shown in FIG. 2, in the circuit for generating these signals (i.e., for self-excitation of the circuit in FIG. 2), positive feedback is carried out using the feedback circuit.

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). In FIG. 3 shows a circuit for generating a high frequency electromagnetic signal. The circuit of FIG. 3 differs from the circuit in FIG. 2 by the presence of feedback circuit 10 between the amplified high-frequency signal (output of the amplification circuit) and the amplified modulating signal (input of the amplification circuit).

Пример 13. Осуществление нагрева плазмы за счет преобразования энергии лазерного излучения в энергию ленгмюровских волновых возбуждений плазмы, способную диссипировать в тепло (см. фиг. 4). Example 13. The implementation of plasma heating by converting the energy of laser radiation into the energy of the Langmuir wave excitations of the plasma, which can dissipate into heat (see Fig. 4).

В предыдущих примерах использовалось преобразование в энергию ленгмюровских волновых возбуждений плазмы с последующим выводом преобразованной энергии из плазмы. In the previous examples, the conversion of the Langmuir wave excitations of the plasma into energy with the subsequent removal of the converted energy from the plasma was used.

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. However, the situation changes if the converted energy of the Langmuir wave excitations is not removed from the plasma. In this case, the converted energy of the wave excitations of the plasma with the Langmuir frequency will dissipate into heat, heating the plasma.

На фиг. 4 показана схема нагрева плазмы, основанная на данном преобразовании энергии. In FIG. 4 shows a plasma heating circuit based on this energy conversion.

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 We данной плазмы 4, т.е. Ω=Ωe 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.Continuous laser radiation 1 is modulated with a modulator 2 in phase (or frequency) by harmonic oscillations of constant purity Ω. Moreover, the modulation frequency W is equal to (or close to) the Langmuir frequency W e of this plasma 4, i.e. Ω = Ω e Then, the modulated laser radiation 3 is passed through a plasma 4 located in a glass flask 5 and created using a direct current discharge, for which electrodes 6 and 7 are used.

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 Lo≤Lког, где размер Lког определяют также, как и в примере 1.In order to increase the efficiency of this energy conversion, the synchronism condition is fulfilled for the harmonics of modulated laser radiation interacting in the plasma and Langmuir wave excitations. For this purpose, the size of the plasma along the direction of propagation of the modulated laser beam is selected to be L o ≤L coh, where L coh size was determined as in Example 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. When the laser radiation modulated in phase (or frequency) is transmitted through the plasma, the energy of this laser radiation is converted into the energy of wave excitations of the plasma with the Langmuir frequency, followed by the dissipation of the converted energy into heat if the converted energy is not removed from the plasma.

Для дальнейшего повышения эффективности данного преобразования дополнительно осуществляют накопление энергии ленгмюровских волновых возбуждений на участке плазмы размером Lo≤Lког путем многократного прохождения промодулированного вышеуказанным образом лазерного излучения по замкнутому контуру через один и то же участок плазмы размером Lo≤Lког. Для этого в схеме на фиг. 3 используют светоделительное зеркало 11 и зеркала 12, 13, 14.To further increase the efficiency of energy conversion is further carried out the accumulation of plasma at the plasma wave excitation portion size L o ≤L coh by repeatedly passing the modulated laser radiation as aforesaid in a closed circuit through one and the same plasma portion size L o ≤L coh. For this, in the circuit of FIG. 3 use a beam splitting mirror 11 and mirrors 12, 13, 14.

Каждый раз при прохождении модулированного лазерного излучения через плазму размером Lo≤Lког будет осуществляться условие синхронизма и будет происходить преобразование в энергию ленгмюровских волновых возбуждений плазмы с последующей диссипацией в тепло.Each time passage of the modulated laser light through the plasma size L o ≤L kog synchronism condition will be carried out and transformation into energy Langmuir plasma wave excitation will occur with subsequent dissipation into heat.

При многократном прохождении модулированного лазерного излучения через один и тот же участок плазмы размером Lo≤Lког 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.Repeated passes of the modulated laser light through the same portion of the plasma size L o ≤L kog energy conversion efficiency of the laser radiation energy in Langmuir wave excitation is increased as compared with the single pass through the accumulation of wave excitation energy at each pass. As a result, the efficiency of the plasma heating process is also increased.

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. If you do not take into account losses due to reflection from mirrors, the efficiency of this energy conversion, and hence the heating efficiency, can approach theoretical (see expression 3). Calculations show that in practice, when used in the circuit of FIG. 3 mirrors 11, 12, 13, 14 of high quality, conversion efficiency can reach several tens of percent.

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. Example 14. The same as in example 13 only for the multiple passage of modulated laser radiation in a closed circuit through the same plasma section using a Fabry-Perot resonator, between the mirrors of which are placed a glass flask 5 with plasma 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 Ti существенно превосходит период модулирующих колебаний Tm(Ti > Tm.Example 15. The same as in example 13, only laser radiation of pulsed action 1 is used, provided that the pulse duration time T i substantially exceeds the period of modulating oscillations T m (T i > T m .

Пример 16. То же, что и в примере 12, только частота ленгмюровских волновых возбуждений плазмы Ωe кратна частоте модуляции Ω т.е. We=nΩ где n=2,3.Example 16. The same as in example 12, only the frequency of the Langmuir wave excitations of the plasma Ω e is a multiple of the modulation frequency Ω i.e. W e = nΩ where 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. Example 17. The same as in example 13, they only modulate the initial laser radiation in amplitude by oscillations of a constant frequency of a rectangular shape (that is, with rectangular pulses) with a frequency that matches (or close) the Langmuir frequency.

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. Example 18. The same as in example 13, only as the initial radiation 1 use microwave radiation. In this case, the plasma is heated by converting the energy of electromagnetic radiation from the microwave range into the energy of Langmuir excitations of the plasma, followed by the dissipation of the converted energy into heat if the converted energy is not removed from the plasma.

Рассмотрим теорию данного способа преобразования энергии электромагнитного излучения оптического или более низкочастотного диапазона в энергию волновых возбуждений нелинейной среды. Consider the theory of this method of converting the energy of electromagnetic radiation of the optical or lower frequency range into the energy of wave excitations of a nonlinear medium.

В качестве исходного электромагнитного излучения исследуем плоскую волну лазерного излучения с циклической частотой ωo 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 wo и содержащим множеством частот вида ωm= ωo+mΩ где 0,±1,±2, (или ωn= ωo± nΩ где n 0, 1, 2,) с амплитудами, распределенными по функциям Бесселя.As the initial electromagnetic radiation, we study a plane laser wave with a cyclic frequency ω o After modulating the laser radiation in phase (or frequency) by harmonic oscillations with a frequency Ω (coinciding with the frequency of these wave excitations of a nonlinear medium), the spectrum of the modulated laser radiation turns out to be discrete, symmetrical with respect to w o and containing a set of frequencies of the form ω m = ω o + mΩ where 0, ± 1, ± 2, (or ω n = ω o ± nΩ where n 0, 1, 2,) with amplitudes distributed over the Bessel functions.

Таким образом в частотном спектре модулированного лазерного излучения несущей частоте ωo исходного немодулированного лазерного излучения (т.е. частоте исходного лазерного излучения до модуляции) соответствует множество частот, равноотстоящих друг от друга на частоту модуляции (частоты

Figure 00000007
где m 0, ±1, ±2,)
На входе в нелинейную среду z=0 электрическое поле модулированного по фазе лазерного излучения имеет вид:
Figure 00000008

где Ω- циклическая частота фазовой модуляции, AΣ(O)- амплитуда плоской лазерной волны до модуляции Jm(δ)- функция Бесселя первого рода порядка m, δ <<1 индекс модуляции, величина l >> 1 определяется шириной частотного диапазона прозрачности нелинейной среды.Thus, in the frequency spectrum of the modulated laser radiation, the carrier frequency ω o of the original unmodulated laser radiation (i.e., the frequency of the initial laser radiation before modulation) corresponds to a plurality of frequencies equally spaced from each other by the modulation frequency (frequency
Figure 00000007
where m 0, ± 1, ± 2,)
At the entrance to the nonlinear medium z = 0, the electric field of the phase-modulated laser radiation has the form:
Figure 00000008

where Ω is the cyclic frequency of the phase modulation, A Σ (O) is the amplitude of the plane laser wave before modulation J m (δ) is the first-order Bessel function of order m, δ << 1 is the modulation index, l >> 1 is determined by the width of the frequency range of transparency nonlinear medium.

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. For simplicity of consideration, we assume that the synchronism condition is fulfilled for electromagnetic waves interacting in a nonlinear medium (harmonics or spectral components of modulated laser radiation) and wave excitations.

Согласно известному свойству функций Бесселя первого рода:

Figure 00000009

Последнее равенство по существу выражает собой закон сохранения энергии для процесса модуляции.According to the well-known property of Bessel functions of the first kind:
Figure 00000009

The last equality essentially expresses the law of conservation of energy for the modulation process.

При малых значения δ <<1:

Figure 00000010

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 wo приходится более 99% всей мощности исходного излучения, а на все остальные гармоники с частотами ωo±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 ωo (на эту гармонику приходится более 99% мощности исходного излучения) и ωo± nΩ где n=1,2,3, в результате которого возникают синфазные взаимодействия между гармониками, распространяющимися в данной среде, и волновыми возбуждениями.For small values of δ << 1:
Figure 00000010

It follows that for δ <1/7 (the modulation index d << 1 is characteristic of all optical modulators in phase or frequency), the main harmonic with an unbiased frequency w o accounts for more than 99% of the total power of the initial radiation, and all other harmonics with frequencies ω o ± nΩ less than 1% where n = 1,2,3,
Therefore, the propagation of phase-modulated (or frequency) laser radiation in a nonlinear medium, subject to the condition of synchronism for the waves propagating and interacting in this medium, and wave excitations can be considered as the propagation in a nonlinear medium of a combination of harmonics of modulated radiation (harmonic waves) with frequencies ω o (at this harmonic accounts for more than 99% of the power of the radiation source) and ω o ± nΩ where n = 1,2,3, which arise as a result of interaction between the common mode harmonics propagate yuschimisya in this environment, and wave excitations.

В поле мощной гармоники с частотой ωo энергия слабых волн с частотами ωo+nΩ нарастать не будет и энергией этих гармоник в процессе распространения в данной нелинейной среде можно пренебречь.In the field of a powerful harmonic with a frequency ω o, the energy of weak waves with frequencies ω o + nΩ will not increase and the energy of these harmonics during propagation in this nonlinear medium can be neglected.

Следовательно рассмотрение преобразования энергии предлагаемым способом сводится к рассмотрению синфазных взаимодействий, возникающих вследствие распространения множества гармоник модулированного излучения с частотами ωo и ωo-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 ωo и ωo-Ω при условии, что частота Ω (частота модуляции) совпадает с собственной частотой возбуждения среды Wi(Ω=Ωi)
Вследствие биения гармоник с частотами ωo и ωo-Ω в среде будет наводиться волна изменений диэлектрической проницаемости среды с разностной частотой:

Figure 00000011

где Δε - изменение диэлектрической проницаемости среды, κ(3)- кубическая нелинейная восприимчивость среды, E1 комплексная амплитуда плоской волны с частотой ω1= ωo E2 комплексная амплитуда плоской волны с частотой ω2= ωo
Поскольку разность частот ω12 совпадает с частотой Ωi 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 Wii=Ω)
Фактически в результате такого параметрического взаимодействия часть энергии основной гармоники модулированного излучения с частотой ωo преобразуется в энергию волновых возбуждений среды с частотой Ωi= Ω и в энергию гармоники модулированного излучения с частотой ωo
С квантовой точки зрения из одного фотона основной гармоники с энергией hωo образуются фотон с энергией h (ωo-Ω) и квазичастица с энергией hΩi/ соответствующая данному волновому возбуждению:
o_→ h(ωoi)+hΩi (Ω=Ωi)
где h постоянная Планка.Therefore, the consideration of energy conversion by the proposed method is reduced to the consideration of in-phase interactions arising from the propagation of many harmonics of modulated radiation with frequencies ω o and ω o -nΩ where n = 1,2,3,
First, we consider the in-phase interactions arising in a nonlinear medium with an inversion center during the propagation of two harmonics of modulated radiation with frequencies ω o and ω o -Ω under the condition that the frequency Ω (modulation frequency) coincides with the natural frequency of excitation of the medium W i ( Ω = Ω i )
Due to the beat of harmonics with frequencies ω o and ω o -Ω in the medium, a wave of changes in the dielectric constant of the medium with a difference frequency will be induced:
Figure 00000011

where Δε is the change in the dielectric constant of the medium, κ (3) is the cubic nonlinear susceptibility of the medium, E 1 is the complex amplitude of a plane wave with frequency ω 1 = ω o E 2 is the complex amplitude of a plane wave with frequency ω 2 = ω o
Since the frequency difference ω 12 coincides with the frequency Ω i of one of the natural resonances of the medium, the modulation depth of the wave of changes in the dielectric constant of the medium undergoes a resonant increase, due to the presence of resonance in the nonlinear susceptibility κ (3) and the propagation of the wave De is the propagation of optically induced wave excitations in a medium with a frequency W ii = Ω)
In fact, as a result of this parametric interaction, part of the energy of the fundamental harmonic of the modulated radiation with frequency ω o is converted into the energy of wave excitations of the medium with a frequency Ω i = Ω and into harmonic energy of modulated radiation with a frequency ω o
From the viewpoint of the quantum of one photon with the fundamental harmonic energy generated hω o photon of energy h (ω o -Ω) and quasiparticle energy with hΩ i / wave corresponding to a given excitation:
ω o _ → h (ω oi ) + hΩ i (Ω = Ω i )
where h is Planck's constant.

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

Figure 00000012

Реальная нелинейная среда обладает конечным оптическим диапазоном прозрачности. Обозначим нижнюю границу частотного диапазона прозрачности через ωгрн
Из (2) следует, что распад фотонов прекращается, когда ωo-nΩ = ωгрн
Поэтому количество квазичастиц с энергией hΩi(Ω=Ωi) соответствующих волновым возбуждениям среды и образующихся вследствие распада одного фотона основной гармоники с частотой ωo по схеме (2), равно:
Figure 00000013

Максимально допустимый КПД (η) данного преобразования энергии в этом случае можно определить:
Figure 00000014

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.Simultaneously with the interaction under consideration, in-phase interaction will occur due to the propagation in the medium of harmonics of modulated radiation with frequencies ω o -Ω and ω o -2Ω
As a result of this interaction, the harmonic energy with a frequency ω o -Ω is converted into the energy of wave excitations of the medium with a frequency Ω i = Ω and into harmonic energy with a frequency ω o -2Ω
h (ω o - Ω) _ → h (ω o -2Ω) + hΩ
Also, at the same time, interaction will occur due to the propagation of harmonics with frequencies in a non-linear medium:
ω o −2Ω and ω o −3Ω, ω o −3Ω and ω o −4Ω, ... etc.
As a result, the multi-wave interaction arising as a result of propagation in a nonlinear medium under the condition of synchronism of the set of harmonics of modulated radiation with frequencies ω o , ω o -Ω, ω o -2Ω, ... etc. etc. is described by the following photon decay scheme
Figure 00000012

A real nonlinear medium has a finite optical transparency range. Denote the lower boundary of the frequency range of transparency by ω UAH
From (2) it follows that the decay of photons ceases when ω o -nΩ = ω UAH
Therefore, the number of quasiparticles with an energy hΩ i (Ω = Ω i ) corresponding to wave excitations of the medium and generated as a result of the decay of one fundamental photon with a frequency ω o according to scheme (2) is equal to:
Figure 00000013

The maximum allowable efficiency (η) of a given energy conversion in this case can be determined:
Figure 00000014

Such a high theoretical efficiency of converting the energy of the initial laser radiation into the energy of wave excitations of the medium is achieved in this method due to the multi-wave interaction arising from the propagation of many harmonics of modulated radiation in a nonlinear medium under the condition of synchronism. Such an interaction between the harmonics of modulated radiation and wave excitations is described by a multi-stage photon decay scheme (2), which leads, in comparison with the single-stage photon decay scheme, which underlies the known methods, to an increase in the energy conversion efficiency (η).

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. As already noted, efficient energy conversion in the proposed method is possible if the synchronism condition is fulfilled for harmonics of modulated radiation and wave excitations interacting in a nonlinear medium.

Биения, вызванные двумя гармониками модулированного излучения с частотами wo и ωo-Ωнаводят волновые возбуждения в среде (см. выражение 1).Beats caused by two harmonics of modulated radiation with frequencies w o and ω o -Ω induce wave excitations in the medium (see expression 1).

Аналогичными выражениями описываются волновые возбуждения, наводимые в среде биениями гармоник модулированного излучения с частотами ωo-Ω и ωo-2Ω, ωo-2Ω и ωo-3Ω, ... и т.д. и т.д.Similar expressions describe wave excitations induced in the medium by beats of harmonics of modulated radiation with frequencies ω o -Ω and ω o -2Ω, ω o -2Ω and ω o -3Ω, ... etc. etc.

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 Lo≤Lког (где Lког 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.
In this case, the condition of synchronism is that the wave excitations induced by the beats of all the corresponding harmonics of the modulated radiation are coherent with each other, i.e. the phase difference between all wave excitations should not exceed π (Δφ ≤ π)
There is always a certain amount of nonlinear medium along the propagation direction of the radiation modulated by L o ≤L COH (wherein L coh coherent interaction length or coherence length) at which the synchronism condition is automatically satisfied. This is true both in the case of wave excitations without dispersion, and in the case of wave excitations of a medium with dispersion.

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

Figure 00000015

где C скорость исходного лазерного излучения,
Figure 00000016
коэффициент преломления среды на частоте ωo - исходного лазерного излучения,
Figure 00000017
коэффициент преломления среды на частоте ωгрн-
Остановимся на требованиях к стабильности частоты модуляции в данном способе преобразования энергии.For example, in the case of a real nonlinear medium with a specific frequency range of transparency, the lower boundary of which is ω UAH , and with a natural frequency of dispersionless wave excitation Ω i = Ω, it can be shown that:
Figure 00000015

where C is the speed of the initial laser radiation,
Figure 00000016
the refractive index of the medium at a frequency ω o - the original laser radiation,
Figure 00000017
the refractive index of the medium at a frequency ω UAH -
Let us dwell on the requirements for the stability of the modulation frequency in this method of energy conversion.

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). Obviously, the length of the train of modulating oscillations should exceed the size of the nonlinear medium on which the considered transformation takes place (see Fig. 1 or 4), or that the same coherence time of modulating oscillations should exceed the time during which the converted energy of wave excitations is accumulated in resonators (see figure 2 and 3).

В результате для случая преобразованная энергии, показанном на фиг. 1, можно получить

Figure 00000018

Для случая преобразования энергии, показанном на фиг. 3, имеем:
Figure 00000019

где Q добротность резонатора.As a result, for the converted energy case shown in FIG. 1, you can get
Figure 00000018

For the case of energy conversion shown in FIG. 3, we have:
Figure 00000019

where Q is the resonator Q factor.

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. Unlike the known methods of energy conversion, functioning only under the condition of a narrow spectral composition of the initial optical or lower frequency electromagnetic radiation, the proposed method of energy conversion functions in the case of the initial optical or lower frequency electromagnetic radiation with an arbitrary spectral width.

Пусть в качестве исходного излучения используется оптическое излучение с широким спектральным составом, например, излучение с частотой шириной спектра ωв÷ ωн
В данном случае исходное оптическое излучение с широким спектром можно рассматривать как совокупность независимых монохроматических спектральных составляющих с частотами ωi∈ [ωв, ωн]
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 wi 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.
Let optical radiation with a wide spectral composition be used as the initial radiation, for example, radiation with a frequency of the spectrum width ω in ÷ ω n
In this case, the initial optical radiation with a wide spectrum can be considered as a set of independent monochromatic spectral components with frequencies ω i ∈ [ω in , ω n ]
Therefore, after preliminary modulation of the initial radiation with a wide spectrum in phase (or frequency) by harmonic oscillations of a constant frequency Ω, each independent spectral component of the initial radiation with a frequency w i will be modulated in phase (or frequency) by harmonic oscillations with a frequency Ω
The energy conversion mechanism in this invention for a single monochromatic spectral component, modulated by phase (or frequency) by oscillations with a frequency W, was essentially considered above using the example of the initial laser radiation.

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:

Figure 00000020

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.Therefore, the energy of each independent spectral component modulated in phase (or frequency) will be converted into the energy of wave excitations of a nonlinear medium in the manner described above with the maximum allowable conversion efficiency:
Figure 00000020

This means that all the energy of the initial radiation with a wide spectrum, consisting of the energies of the individual spectral components, can be converted into the energy of wave excitations of a nonlinear medium in the manner described above.

Отметим, что данный способ преобразования энергии функционирует и тогда, когда собственная частота данных возбуждений среды Ωi кратна частоте модуляции Ω , т.е., когда Ωi= nΩ, где n=2,3,4,...
Положим, например, что в качестве исходного излучения используется лазерное излучение с частотой ωo и что Ωi= 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 ωo и ωo-2Ω, ωo-2Ω и ωo-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.
Note that this method of energy conversion also functions when the natural frequency of these medium excitations Ω i is a multiple of the modulation frequency Ω, i.e., when Ω i = nΩ, where n = 2,3,4, ...
Suppose, for example, that laser radiation with a frequency ω o is used as the initial radiation and that Ω i = 2Ω
In this case, after the laser radiation is modulated in the manner described above and the modulated laser radiation is transmitted through a nonlinear medium, these wave excitations will arise due to beats between the harmonics of the modulated radiation with frequencies ω o and ω o −2Ω, ω o −2Ω and ω o −4Ω, and etc.
Under the condition of synchronism for electromagnetic waves interacting in a nonlinear medium (harmonics of modulated laser radiation) and these wave excitations, the energy conversion efficiency increases.

Claims (15)

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. 1. A method of converting the energy of electromagnetic radiation of the optical or lower frequency range into the energy of wave excitations of a non-linear medium, comprising transmitting electromagnetic radiation through a non-linear medium, characterized in that the electromagnetic radiation with an arbitrary spectrum width is modulated in time by oscillations of a constant frequency so that in the frequency spectrum modulated radiation, each carrier frequency of the original unmodulated radiation corresponded to many frequencies equal to ootstoyaschih from each other to the modulation frequency, the modulation frequency is selected so that the natural frequency wave excitations nonlinear medium is equal to or multiple of the frequency modulation is thus carried out synchronism condition for interacting in a nonlinear medium harmonics of the modulated source of radiation and the data wave excitations induced in the medium. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для повышения КПД данного преобразования дополнительно накапливают энергию возникающих в нелинейной среде волновых возбуждений. 2. The method according to claim 1, characterized in that in order to increase the efficiency of this conversion, the energy of wave excitations arising in a nonlinear medium is additionally stored. 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. 3. The method according to claims 1 and 2, characterized in that the energy storage of wave excitations of the medium is carried out by repeatedly passing the modulated electromagnetic radiation in a closed circuit through the same section of the nonlinear medium. 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. 4. The method according to claims 1 and 2, characterized in that for the accumulation of energy of wave excitations of the medium, one or more resonators are used that can accumulate the energy of these wave excitations, with a resonant frequency coinciding with the frequency of wave excitations, while the nonlinear medium is placed both inside one of the resonators, and outside of these resonators. 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве электромагнитного излучения используют излучение лазеров непрерывного действия. 5. The method according to p. 1, characterized in that as the electromagnetic radiation using radiation from continuous lasers. 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. 6. The method according to p. 1, characterized in that the radiation of pulsed lasers is used as electromagnetic radiation, provided that the pulse duration time significantly exceeds the period of modulating oscillations. 7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве электромагнитного излучения используют солнечное излучение. 7. The method according to p. 1, characterized in that the use of solar radiation as electromagnetic radiation. 8. Способ по п.1, отличающийся тем, что модуляцию осуществляют по фазе или частоте гармоническими колебаниями. 8. The method according to claim 1, characterized in that the modulation is carried out in phase or frequency by harmonic oscillations. 9. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве нелинейной среды используют нелинейную среду с волноводной геометрией. 9. The method according to claim 1, characterized in that as a nonlinear medium, a nonlinear medium with waveguide geometry is used. 10. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве нелинейной среды используют плазму. 10. The method according to p. 1, characterized in that the plasma is used as a non-linear medium. 11. Способ по пп.1 и 10, отличающийся тем, что плазму помещают в магнитное поле. 11. The method according to claims 1 and 10, characterized in that the plasma is placed in a magnetic field. 12. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве нелинейной среды используют плазму твердых тел. 12. The method according to p. 1, characterized in that the plasma of solids is used as a non-linear medium. 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. 13. The method according to claim 1, characterized in that for converting the wave excitations dissipating into heat into energy, a medium is selected that is capable of generating these excitations in it, and the initial energy is converted into the energy of these excitations. 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. 14. The method according to claim 1, characterized in that the initial radiation is modulated by electromagnetic waves, and the medium is selected so that it is capable of generating high-frequency electromagnetic wave excitations in it, and the initial energy is converted into the energy of these excitations, and the converted energy removed from the environment. 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. 15. The method according to PP.1 and 14, characterized in that they provide positive feedback using the feedback circuit between the converted oscillations output from the medium and modulating electromagnetic oscillations.
RU96109165A 1996-05-21 1996-05-21 Method for converting electromagnetic radiation energy of optical or lower-frequency range into wave excitation energy of nonlinear media RU2101745C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU96109165A RU2101745C1 (en) 1996-05-21 1996-05-21 Method for converting electromagnetic radiation energy of optical or lower-frequency range into wave excitation energy of nonlinear media

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU96109165A RU2101745C1 (en) 1996-05-21 1996-05-21 Method for converting electromagnetic radiation energy of optical or lower-frequency range into wave excitation energy of nonlinear media

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2101745C1 true RU2101745C1 (en) 1998-01-10
RU96109165A RU96109165A (en) 1998-04-10

Family

ID=20180313

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU96109165A RU2101745C1 (en) 1996-05-21 1996-05-21 Method for converting electromagnetic radiation energy of optical or lower-frequency range into wave excitation energy of nonlinear media

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2101745C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012153156A3 (en) * 2011-05-11 2013-01-10 Egely Gyoergy Renewable energy production process with a device featuring resonant nano-dust plasma, a cavity resonator and an acoustic resonator
RU2803820C1 (en) * 2022-10-20 2023-09-20 Общество С Ограниченной Ответственностью "Войс Групп" Method for mutual transformation of vortex transverse vector electromagnetic wave into irrotational longitudinal scalar electromagnetic wave and device for its implementation

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
1. Ахманов С.А. Нелинейная оптика. В кн. "Маленькая энциклопедия". Квантовая электроника. - М.: Советская энциклопедия, 1969, с. 147 - 148. 2. Файнберг Я.Б. Физика плазмы. Т. 13, вып. 5, 1987, с. 607. *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012153156A3 (en) * 2011-05-11 2013-01-10 Egely Gyoergy Renewable energy production process with a device featuring resonant nano-dust plasma, a cavity resonator and an acoustic resonator
RU2803820C1 (en) * 2022-10-20 2023-09-20 Общество С Ограниченной Ответственностью "Войс Групп" Method for mutual transformation of vortex transverse vector electromagnetic wave into irrotational longitudinal scalar electromagnetic wave and device for its implementation

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Murphy et al. Free electron lasers for the XUV spectral region
Christov et al. Generation and propagation of attosecond x-ray pulses in gaseous media
Varshney et al. Strong terahertz radiation generation by beating of extra-ordinary mode lasers in a rippled density magnetized plasma
Ginzburg et al. Nonlinear cyclotron resonance absorber for a microwave subnanosecond pulse generator powered by a helical-waveguide gyrotron traveling-wave tube
Gallerano et al. Compact free electron lasers: From Cerenkov to waveguide free electron lasers
Gover et al. Feasibility of dc to visible high‐power conversion employing a stimulated Compton free electron laser with a waveguided CO2 laser pump wave and an axial electric field
RU2101745C1 (en) Method for converting electromagnetic radiation energy of optical or lower-frequency range into wave excitation energy of nonlinear media
Zhang et al. Tuning electron bunch with a longitudinally shaped laser to generate half-cycle terahertz radiation pulse
JPH09121069A (en) Laser light emitter, laser beacon and laser image display
Bahns et al. Optically pumped ring laser oscillation to vibrational levels near dissociation and to the continuum in Na2
Gallerano et al. The physics of and prospects for THz-Compact FELs
Jones et al. Milliwatt-level 213 nm source based on a repetitively Q-switched, cw-pumped Nd: YAG laser
Brau Free-electron lasers driven by RF linacs
RU2105387C1 (en) Method for conversion of optical light with arbitrary spectral width into power of electromagnetic waves in radio or lower bandwidth
Diskin et al. Phase modulation in polarization beating quasi-phase-matching of high-order-harmonic generation
Kalmykov et al. Nonlinear evolution of the plasma beat wave: Compressing the laser beat notes via electromagnetic cascading
Serlin et al. External modulation of intense relativistic electron beams with spatial and velocity inhomogeneities
RU2062538C1 (en) Method for parametric generation of periodic oscillations
Shoulga et al. Simultaneous ultrabroadband quasi-phase-matching for high-order harmonic generation
US3546477A (en) Laser frequency conversion device using magnetogas plasma
Murukesapillai Electromagnetic wave generation utilizing plasma instabilities
US3371264A (en) Tuned cavity assembly for harmonic generation of acoustic and electromagnetic waves of gigacycle frequencies
Fokin et al. High Cyclotron Harmonics Excitation in Multi-beam Terahertz Range Gyrotrons
Rödel et al. Enhanced harmonic generation in relativistic laser plasma interaction
Rödel et al. Relativistic Frequency Synthesis of Light Fields

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20140522