RU2105387C1 - Method for conversion of optical light with arbitrary spectral width into power of electromagnetic waves in radio or lower bandwidth - Google Patents

Method for conversion of optical light with arbitrary spectral width into power of electromagnetic waves in radio or lower bandwidth Download PDF

Info

Publication number
RU2105387C1
RU2105387C1 RU96113413A RU96113413A RU2105387C1 RU 2105387 C1 RU2105387 C1 RU 2105387C1 RU 96113413 A RU96113413 A RU 96113413A RU 96113413 A RU96113413 A RU 96113413A RU 2105387 C1 RU2105387 C1 RU 2105387C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
energy
frequency
medium
microwave
waves
Prior art date
Application number
RU96113413A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU96113413A (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 RU96113413A priority Critical patent/RU2105387C1/en
Priority to PCT/RU1997/000207 priority patent/WO1997049001A1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2105387C1 publication Critical patent/RU2105387C1/en
Publication of RU96113413A publication Critical patent/RU96113413A/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02FOPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/35Non-linear optics

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Radiation-Therapy Devices (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

FIELD: power conversion, in particular, conversion of solar energy into electromagnetic waves of microwave bandwidth or to alternating or direct current, design of powerful filtering microwave amplifiers and microwave laser pumping oscillators. SUBSTANCE: method involves exposition of converting medium to light which is modulated in time by oscillations of constant frequency in radio or lower bandwidth so that frequency spectrum of modulated optical light for each carrier frequency of source non- modulated light corresponds to multiple frequencies which differ by constant modulation width value. Said converting medium is non- linear medium which has no inversion center and which runs conversion of modulated optical light by means of generation of electromagnetic oscillations or waves of radio or lower bandwidth. Said medium is transparent for both optical light and for frequencies of electromagnetic oscillations which are generated there. Converted power of electromagnetic waves of radio or lower bandwidth are accumulated using at least one electromagnetic resonator which resonance frequency is equal to frequency of generated electromagnetic oscillations and is equal to or is multiple of modulation frequency. Harmonics of modulated optical light and generated electromagnetic waves which power is accumulated using said at least one resonator interact in this medium in synchronism. EFFECT: increased functional capabilities. 32 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к области преобразования энергии оптического излучения с произвольной шириной спектра в энергию электромагнитных колебаний или волн радиодиапазона, например СВЧ (сверхвысокочастотного) диапазона, а также в энергию электромагнитных колебаний более низкочастотного диапазона, в частности в энергию электромагнитных (электрических) колебаний промышленной частоты (т.е. в энергию переменного тока) или сколь угодно малой частоты (т.е. в энергию постоянного тока). The invention relates to the field of converting the energy of optical radiation with an arbitrary spectrum width into the energy of electromagnetic waves or waves of the radio range, for example, microwave (microwave) range, as well as into the energy of electromagnetic waves of the lower frequency range, in particular into the energy of electromagnetic (electrical) oscillations of industrial frequency (t .e. into alternating current energy) or arbitrarily low frequency (i.e. into direct current energy).

Изобретение может найти применение для преобразования энергии солнечного излучения в электромагнитную энергию СВЧ диапазона или в энергию переменного или постоянного тока (т.е. в гелиоэнергетике), а также при разработке мощных параметрических СВЧ усилителей и генераторов на лазерной накачке. The invention can find application for converting the energy of solar radiation into electromagnetic energy in the microwave range or into AC or DC energy (i.e., in solar energy), as well as in the development of powerful parametric microwave amplifiers and laser-pumped oscillators.

Известен способ преобразования энергии оптического излучения с произвольной шириной спектра в энергию постоянного или переменного тока, а также в энергию электромагнитных колебаний или волн радиодиапазона с помощью фотоэмиссионных преобразователей, включающий в себя облучение оптическим излучением среды, в данном случае среды (материала) катода преобразователя, в которой происходит преобразование энергии оптического излучения в виде нагрева этой среды (материала) катода и испускания (эмиссии) электронов [1]. A known method of converting the energy of optical radiation with an arbitrary width of the spectrum into energy of direct or alternating current, as well as into the energy of electromagnetic waves or waves of the radio range using photoemissive converters, which includes irradiating with optical radiation the medium, in this case, the medium (material) of the converter cathode, which transforms the energy of optical radiation in the form of heating this medium (material) of the cathode and the emission (emission) of electrons [1].

Для преобразования данным способом энергии оптического излучения в энергию электромагнитных колебаний или волн радиодиапазона электрический сигнал с фотоэмиссионного преобразователя с помощью генераторов радиодиапазона, в частности СВЧ диапазона, преобразуют в энергию колебаний или волн радио-диапазона. To convert the energy of optical radiation in this way into the energy of electromagnetic waves or radio waves, the electric signal from the photoemission converter using the radio range generators, in particular the microwave range, is converted into vibration energy or radio waves.

Однако этот способ обладает малым КПД (коэффициентом полезного действия) рассматриваемого преобразования энергии. However, this method has a low efficiency (efficiency) of the considered energy conversion.

Известен фотоэлектрический способ преобразования энергии оптического излучения с произвольной шириной спектра, принятый нами за прототип, включающий в себя облучение оптическим излучением среды, в которой происходит преобразование энергии оптического излучения [3]. Этот способ позволяет осуществлять преобразование энергии оптического излучения с произвольной шириной спектра как в электрическую энергию постоянного или переменного тока, так и в энергию электромагнитных колебаний или волн радиодиапазона, в частности СВЧ диапазона. Причем эффективность данного преобразования энергии в этом способе выше, чем в предыдущем. A known photoelectric method for converting the energy of optical radiation with an arbitrary spectral width, adopted by us as a prototype, which includes irradiation with optical radiation of a medium in which the energy of optical radiation is converted [3]. This method allows the conversion of the energy of optical radiation with an arbitrary spectral width into electrical energy of direct or alternating current, and into the energy of electromagnetic waves or radio waves, in particular the microwave range. Moreover, the efficiency of this energy conversion in this method is higher than in the previous one.

Преобразование световой энергии в энергию постоянного или переменного тока с помощью фотоэлектрического способа основано на фотовольтаическом эффекте, который возникает в неоднородных полупроводниковых средах при их облучении оптическим излучением. Так, например, если два полупроводника (n-полупроводник и p-полупроводник) соприкасаются, то при освещении контактной поверхности между ними возникает ЭДС и, как следствие этого, возникает электрический ток при замыкании цепи и к потребителю поступает электрическая энергия. The conversion of light energy into direct or alternating current energy using the photoelectric method is based on the photovoltaic effect that occurs in inhomogeneous semiconductor media when they are irradiated with optical radiation. So, for example, if two semiconductors (n-semiconductor and p-semiconductor) are in contact, then when the contact surface is illuminated, an EMF appears between them and, as a result of this, an electric current occurs when the circuit is closed and electric energy is supplied to the consumer.

Подобный способ позволяет преобразовывать как энергию монохроматического оптического излучения, так и энергию оптического излучения с широким спектром, например солнечного излучения. This method allows you to convert both the energy of monochromatic optical radiation and the energy of optical radiation with a wide spectrum, such as solar radiation.

Для преобразования фотоэлектрическим способом световой энергии в электромагнитную энергию радиодиапазона, в частности СВЧ диапазона, необходимо электрический сигнал с фотоэлемента (или солнечного элемента) с помощью генератора радиодиапазона преобразовать в колебания или волны радиодиапазона. To convert light energy into electromagnetic energy in the radio range by a photoelectric method, it is necessary to convert an electric signal from a photocell (or solar cell) using a radio range generator into oscillations or waves of the radio range.

Подобное преобразование энергии планируется использовать в будущем при эксплуатации солнечных космических электростанций для передачи преобразованной энергии на Землю. С этой целью электрический ток от солнечных элементов, расположенных на спутниковой солнечной электростанции, с помощью СВЧ генераторов преобразуется в полезное СВЧ излучение, которое при помощи бортовой антенны направляется на Землю. A similar energy conversion is planned to be used in the future in the operation of solar space power plants to transfer the converted energy to Earth. To this end, the electric current from solar cells located in a satellite solar power station, using microwave generators, is converted into useful microwave radiation, which is sent to the Earth using an onboard antenna.

Недостаток данного фотоэлектрического способа преобразования энергии оптического излучения с произвольной шириной спектра такой же как и у предыдущего способа и состоит в невысоком КПД (коэффициенте полезного действия) преобразования энергии оптического излучения с широким спектром, в частности солнечного излучения, как в энергию постоянного или переменного тока, так и в электромагнитную энергию радиодиапазона, который, как правило, не превышает 20%. The disadvantage of this photoelectric method of converting the energy of optical radiation with an arbitrary spectrum width is the same as the previous method and consists in a low efficiency (coefficient of efficiency) of converting the energy of optical radiation with a wide spectrum, in particular solar radiation, into direct or alternating current energy, and in the electromagnetic energy of the radio range, which, as a rule, does not exceed 20%.

Предложенное изобретение решает задачу повышения КПД при преобразовании энергии оптического излучения с произвольной шириной спектра, в том числе оптического излучения с широким спектром, в электромагнитную энергию радио- или более низкочастотного диапазона, в частности в энергию СВЧ диапазона, или в энергию переменного или постоянного тока. The proposed invention solves the problem of increasing efficiency when converting the energy of optical radiation with an arbitrary width of the spectrum, including optical radiation with a wide spectrum, into electromagnetic energy of the radio or lower frequency range, in particular into microwave energy, or into alternating or direct current energy.

Указанная цель достигается тем, что в известном способе преобразования энергии оптического излучения с произвольной шириной спектра, включающем в себя облучение оптическим излучением среды, в которой происходит преобразование энергии оптического излучения, новым является то, что оптическое излучение модулируют во времени колебаниями постоянной частоты радио- или более низкочастотного диапазона таким образом, чтобы в частотном спектре модулированного оптического излучения каждой несущей частоте исходного немодулированного оптического излучения (т.е. каждой частоте оптического излучения до модуляции) соответствовало множество частот, равноотстоящих друг от друга на частоту модуляции, в качестве среды используют нелинейную среду без центра инверсии, в которой происходит преобразование энергии промодулированного оптического излучения в виде генерации электромагнитных колебаний или волн радио- или более низкочастотного диапазона, и которая прозрачна как для частот оптического диапазона, так и для частот генерируемых в ней электромагнитных колебаний или волн, преобразованную энергию генерируемых в данной среде электромагнитных колебаний или волн радио- или более низкочастотного диапазона накапливают с помощью одного или нескольких электромагнитных резонаторов, резонансная частота которых совпадает с частотой генерируемых электромагнитных колебаний или волн и равна либо кратна частоте модуляции, при этом осуществляют условие синхронизма для взаимодействующих в данной среде гармоник (спектральных составляющих) модулированного оптического излучения и генерируемых колебаний или волн, энергия которых накапливается с помощью одного или нескольких резонаторов. This goal is achieved by the fact that in the known method of converting the energy of optical radiation with an arbitrary spectral width, which includes irradiating with optical radiation the medium in which the energy of optical radiation is converted, it is new that optical radiation is modulated in time by oscillations of a constant frequency of radio or lower frequency range so that in the frequency spectrum of the modulated optical radiation of each carrier frequency of the original unmodulated optical radiation (i.e., each frequency of optical radiation before modulation) corresponded to many frequencies equally spaced from each other by the modulation frequency, a nonlinear medium without an inversion center is used as a medium, in which the energy of the modulated optical radiation is converted in the form of electromagnetic waves generation or waves of the radio or lower frequency range, and which is transparent both for the frequencies of the optical range and for the frequencies of electromagnetic waves or waves generated in it, pre the generated energy of electromagnetic waves generated in a given medium or waves of the radio or lower frequency range is accumulated using one or more electromagnetic resonators, the resonant frequency of which coincides with the frequency of the generated electromagnetic waves or waves and is equal to or a multiple of the modulation frequency, while the synchronism condition for interacting in a given environment, harmonics (spectral components) of modulated optical radiation and generated oscillations or waves, energy I which is accumulated by one or more cavities.

В данном случае более высокий КПД преобразования энергии оптического излучения в энергию электромагнитных колебаний или волн радио- или более низкочастотного диапазона достигается за счет синфазных взаимодействий в прозрачной нелинейной среде без центра инверсии между множеством гармоник (спектральных составляющих) промодулированного оптического излучения и генерируемых в данной среде колебаний или волн радио- или более низкочастотного диапазона с последующим накоплением энергии генерируемых в среде колебаний или волн с помощью электромагнитных резонаторов высокой добротности вышеуказанным образом. In this case, a higher efficiency of converting the energy of optical radiation into the energy of electromagnetic waves or waves of the radio or lower frequency range is achieved due to in-phase interactions in a transparent nonlinear medium without an inversion center between the many harmonics (spectral components) of the modulated optical radiation and the oscillations generated in this medium or waves of the radio or lower frequency range, followed by the accumulation of energy generated in the medium of oscillations or waves using e high-quality electromagnetic resonators in the above manner.

Чем выше добротность резонаторов, накапливающих преобразованную энергию, тем эффективнее протекает процесс преобразования энергии и тем больше величина КПД данного преобразования. The higher the quality factor of the resonators accumulating the converted energy, the more efficient is the process of energy conversion and the greater is the efficiency of this conversion.

В предлагаемом способе в прозрачной нелинейной среде без центра инверсии при ее облучении и распространении в ней промодулированного оптического излучения, происходит непосредственное преобразование энергии промодулированного оптического излучения в электромагнитную энергию радио- или более низкочастотного диапазона в виде генерации в данной среде электромагнитных колебаний или волн с частотой равной либо кратной частоте модуляции. In the proposed method in a transparent nonlinear medium without an inversion center, when it is irradiated and the modulated optical radiation propagates in it, the energy of the modulated optical radiation is directly converted to electromagnetic energy of the radio or lower frequency range in the form of electromagnetic waves or waves with a frequency equal to or a multiple modulation frequency.

При размере Lо нелинейной среды без центра инверсии вдоль направления распространения промодулированного оптического излучения много меньшем длины волны генерируемого в данной среде и накапливаемого с помощью резонаторов электромагнитного излучения радио- или более низкочастотного диапазона, можно считать, что в данной среде происходит генерация электромагнитных колебаний радио- или более низкочастотного диапазона.If L about a nonlinear medium without an inversion center along the propagation direction of the modulated optical radiation is much shorter than the wavelength generated in this medium and accumulated with the help of resonators of electromagnetic radiation of the radio or lower frequency range, it can be assumed that electromagnetic waves of radio waves are generated in this medium or lower frequency range.

При размере нелинейной среды без центра инверсии Lо, соизмеримым либо большем длины волны генерируемого в данной среде и накапливаемого с помощью резонаторов электромагнитного излучения, можно считать, что в данной среде происходит генерация электромагнитных волн.When the size of a nonlinear medium without an inversion center L о is comparable to or greater than the wavelength generated in the given medium and accumulated with the help of resonators of electromagnetic radiation, we can assume that electromagnetic waves are generated in this medium.

Если резонансная частота резонаторов равна частоте модуляции и условие синхронизма осуществляют для взаимодействующих в нелинейной среде без центра инверсии гармоник модулированного оптического излучения и генерируемых в среде электромагнитных колебаний или волн с частотой, совпадающей с частотой модуляции, то энергия оптического излучения будет преобразована предлагаемым способом в энергию электромагнитных колебаний или волн с частотой, равной частоте модуляции и совпадающей с резонансной частотой. If the resonant frequency of the resonators is equal to the modulation frequency and the synchronism condition is fulfilled for harmonics of modulated optical radiation interacting in a nonlinear medium without a center of inversion and electromagnetic waves or waves generated in the medium with a frequency that coincides with the modulation frequency, then the optical radiation energy will be converted by the proposed method into electromagnetic energy oscillations or waves with a frequency equal to the modulation frequency and coinciding with the resonant frequency.

Если резонансная частота резонаторов кратна частоте модуляции и условие синхронизма осуществляют для взаимодействующих в нелинейной среде без центра инверсии гармоник модулированного оптического излучения и генерируемых электромагнитных колебаний или волн с частотой, кратной частоте модуляции и совпадающей с резонансной частотой резонаторов, то энергия оптического излучения будет преобразована в энергию электромагнитных колебаний или волн с частотой, кратной частоте модуляции и совпадающей с резонансной частотой. If the resonant frequency of the resonators is a multiple of the modulation frequency and the synchronism condition is fulfilled for harmonics of modulated optical radiation and generated electromagnetic waves or waves with a frequency that is a multiple of the modulation frequency and coinciding with the resonant frequency of the resonators interacting in a nonlinear medium without an inversion center, then the energy of the optical radiation will be converted into energy electromagnetic waves or waves with a frequency multiple of the modulation frequency and coinciding with the resonant frequency.

Исходное оптическое излучение, энергия которого преобразуется вышеуказанным способом, может быть как непрерывного действия, так и импульсного действия. В случае оптического излучения импульсного действия необходимо, чтобы время длительности импульса Ti существенно превосходило период модулирующих колебаний Tмод (Ti>Tмод).The initial optical radiation, the energy of which is converted by the above method, can be both continuous operation and pulsed action. In the case of pulsed optical radiation, it is necessary that the pulse duration time T i substantially exceeds the period of modulating oscillations T modes (T i > T modes ).

Ширина спектра преобразуемого оптического излучения в предлагаемом изобретении может быть произвольной. Таким образом, в качестве преобразуемого оптического излучения может использоваться монохроматическое или квазимонохроматическое излучение, а также излучение с широким спектром. The width of the spectrum of the converted optical radiation in the present invention can be arbitrary. Thus, monochromatic or quasimonochromatic radiation, as well as radiation with a wide spectrum, can be used as the converted optical radiation.

В качестве нелинейных сред без центра инверсии могут использоваться квадратичные нелинейные среды (среды с квадратичной нелинейностью), а также кубичные нелинейные среды (среды с кубичной нелинейностью), помещенные в постоянное электрическое (или магнитное) поле. As nonlinear media without an inversion center, quadratic nonlinear media (media with quadratic nonlinearity) and cubic nonlinear media (media with cubic nonlinearity) placed in a constant electric (or magnetic) field can be used.

К квадратичным нелинейным средам относятся нецентросимметричные кристаллы, например, кристаллы кварца (SiO2), KDP (KH2PO4), мочевины (CO(NH2)2)) и др.Quadratic nonlinear media include noncentrosymmetric crystals, for example, crystals of quartz (SiO 2 ), KDP (KH 2 PO 4 ), urea (CO (NH 2 ) 2 )), etc.

Кубичная нелинейность характерна для диэлектрических сред, обладающих центром инверсии: центросимметричные кристаллы, газы, жидкости. Cubic nonlinearity is characteristic of dielectric media with an inversion center: centrosymmetric crystals, gases, and liquids.

Однако постоянное электрическое (или магнитное) поле, поляризуя изотропную среду, лишает ее центра инверсии. However, a constant electric (or magnetic) field, polarizing an isotropic medium, deprives it of an inversion center.

Поэтому кубичная нелинейная среда, помещенная в постоянное электрическое (или магнитное) поле, также является нелинейной средой без центра инверсии. Therefore, a cubic nonlinear medium placed in a constant electric (or magnetic) field is also a nonlinear medium without a center of inversion.

Нелинейные среды без центра инверсии, используемые в изобретении, для эффективного преобразования энергии предлагаемым способом должны быть прозрачны как для частот оптического излучения, так и для частот колебаний или волн радио- или более низкочастотного диапазона, генерируемых в данной среде и накапливаемых по мощности с помощью одного или нескольких резонаторов. Реальные нелинейные среды без центра инверсии, в частности кристалл кварца, обладают конечным оптическим диапазоном прозрачности и могут быть также прозрачны для частот радио- или более низкочастотного диапазона. Чем шире оптический диапазон прозрачности данной среды, тем эффективней протекает данное преобразование энергии и тем выше КПД этого преобразования. Nonlinear media without an inversion center used in the invention for efficient energy conversion by the proposed method should be transparent both for optical radiation frequencies and for vibration frequencies or waves of the radio or lower frequency range generated in this medium and accumulated in power with one or several resonators. Real nonlinear media without an inversion center, in particular a quartz crystal, have a finite optical transparency range and can also be transparent for frequencies in the radio or lower frequency range. The wider the optical transparency range of a given medium, the more efficiently this energy conversion proceeds and the higher the efficiency of this conversion.

Геометрия формы нелинейных сред без центра инверсии в данном изобретении может быть разная. В рассматриваемом случае 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 оптического излучения. The geometry of the shape of nonlinear media without an inversion center in this invention may be different. In the case under consideration, along with voluminous extended nonlinear media, nonlinear media with fiber or waveguide geometry can be used, i.e. media with transverse dimensions commensurate with the wavelength of optical radiation.

Для осуществления модуляции исходного оптического излучения в предлагаемом изобретении можно использовать следующие виды модуляции: модуляцию исходного оптического излучения по фазе или частоте колебаниями постоянной частоты радио- или более низкочастотного диапазона, в том числе гармоническими колебаниями; модуляцию по амплитуде периодическими негармоническими колебаниями, импульсную модуляцию. To implement modulation of the initial optical radiation in the present invention, the following types of modulation can be used: modulation of the initial optical radiation in phase or frequency by oscillations of a constant frequency of the radio or lower frequency range, including harmonic oscillations; amplitude modulation by periodic non-harmonic oscillations; pulse modulation.

При этих видах модуляции выполняется основное условие, предъявляемое к модуляции исходного оптического излучения в данном изобретении, а именно: в частотном спектре промодулированного оптического излучения каждой несущей частоте исходного оптического немодулированного излучения (т.е. каждой частоте исходного излучения до модуляции) соответствует множество частот, равноотстоящих друг от друга на частоту модуляции. With these types of modulation, the basic condition for modulating the initial optical radiation in this invention is fulfilled, namely: in the frequency spectrum of the modulated optical radiation, each carrier frequency of the initial optical unmodulated radiation (i.e., each frequency of the initial radiation before modulation) corresponds to a plurality of frequencies, equally spaced from each other by the modulation frequency.

Для эффективного преобразования энергии исходного оптического излучения предлагаемым способом необходимо осуществлять условие синхронизма для взаимодействующих в данной нелинейной среде гармоник (спектральных составляющих) промодулированного оптического излучения и колебаний или волн, генерируемых в этой среде, энергия которых накапливается с помощью одного или нескольких резонаторов (частота этих генерируемых и накапливаемых колебаний или волн совпадает с резонансной частотой резонаторов и может быть равна либо кратна частоте модуляции). To efficiently convert the energy of the initial optical radiation by the proposed method, it is necessary to fulfill the condition of synchronism for the harmonics (spectral components) interacting in a nonlinear medium of the modulated optical radiation and the vibrations or waves generated in this medium, the energy of which is accumulated using one or more resonators (the frequency of these generated and accumulated oscillations or waves coincides with the resonant frequency of the resonators and can be equal to or a multiple of the frequency odulyatsii).

В данном случае условие синхронизма - это условие эффективного обмена энергией при взаимодействии в нелинейной среде без центра инверсии гармоник (спектральных составляющих) промодулированного исходного излучения и генерируемых в этой среде колебаний или волн радио- или более низкочастотного диапазона, заключающееся в сохранении определенных фазовых соотношений между гармониками и генерируемыми колебаниями или волнами на всей области взаимодействия. В частности, условие синхронизма осуществляется, когда набег фаз на всей области взаимодействия гармоник модулированного оптического излучения и генерируемых колебаний или волн относительно друг друга не превышает π (180o).In this case, the condition of synchronism is the condition for effective energy exchange during interaction in a nonlinear medium without a center of inversion of harmonics (spectral components) of the modulated initial radiation and oscillations or waves of the radio or lower frequency range generated in this medium, which consists in preserving certain phase relations between harmonics and generated vibrations or waves throughout the interaction area. In particular, the synchronism condition is fulfilled when the phase incursion over the entire interaction region of harmonics of modulated optical radiation and generated oscillations or waves relative to each other does not exceed π (180 o ).

В предлагаемом изобретении всегда существует определенный размер нелинейной среды без центра инверсии вдоль направления распространения промодулированного оптического излучения: Lо ≤ Lког ( где Lког - длина когерентного взаимодействия или длина когерентности), на котором условие синхронизма выполняется автоматически без принятия специальных мер.In the present invention, there always exists a certain size of a nonlinear medium without an inversion center along the propagation direction of the modulated optical radiation: L о ≤ L coh (where L coh is the length of the coherent interaction or the length of coherence), on which the synchronism condition is fulfilled automatically without special measures.

На этом расстоянии Lо ≤ Lког набег фаз всех взаимодействующих гармоник модулированного оптического излучения и генерируемых в данной среде колебаний или волн относительно друг друга не превышает π (180o).At this distance L о ≤ L coh, the phase incursion of all interacting harmonics of the modulated optical radiation and the oscillations or waves generated in a given medium relative to each other does not exceed π (180 o ).

Для осуществления условия синхронизма при размерах нелинейной среды без центра инверсии вдоль направления распространения промодулированного оптического излучения Lо>Lког, необходимо выполнять специальные меры. С этой целью, например, данная нелинейная среда может представлять собой набор соприкасающихся нецентросимметричных кристаллов, размером Lког, ориентированных друг относительно друга так, чтобы волны нелинейной поляризации каждый раз при прохождении в другой кристалл испытывали скачок фазы на π (180o).To fulfill the condition of synchronism with the dimensions of a nonlinear medium without an inversion center along the propagation direction of the modulated optical radiation L о > L coh , special measures must be taken. For this purpose, for example, this nonlinear medium can be a set of contacting noncentrosymmetric crystals of size L coh oriented with respect to each other so that nonlinear polarization waves each time pass through to another crystal experience a phase jump of π (180 o ).

В качестве электромагнитных резонаторов, с помощью которых осуществляют накопление энергии генерируемых в нелинейной среде без центра инверсии колебаний или волн радио- или более низкочастотного диапазона, можно использовать либо объемные СВЧ резонаторы при преобразовании в электромагнитную энергию СВЧ диапазона, либо колебательные контуры при преобразовании в электромагнитную энергию более низкочастотной части радиодиапазона, а также пьезоэлектрические резонаторы, в частности, кварцевые резонаторы, диэлектрические резонаторы и т.п. As electromagnetic resonators, with the help of which the energy generated in a nonlinear medium is stored without a center of inversion of oscillations or waves of the radio or lower frequency range, one can use either volume microwave resonators when converting to microwave electromagnetic energy, or oscillatory circuits when converting to electromagnetic energy lower frequency part of the radio range, as well as piezoelectric resonators, in particular, quartz resonators, dielectric resonators and n.

Частным случаем данного изобретения является преобразование энергии оптического излучения с произвольной шириной спектра в энергию электромагнитных колебаний или волн СВЧ диапазона. При этом с помощью излучающей антенны преобразованную СВЧ энергию можно передавать через свободное пространство. Данное преобразование можно использовать при разработке систем беспроводной передачи энергии через свободное пространство, например наземных энергосистем, расположенных в труднодоступной местности. A particular case of this invention is the conversion of the energy of optical radiation with an arbitrary spectral width into the energy of electromagnetic waves or microwave waves. In this case, using the emitting antenna, the converted microwave energy can be transmitted through free space. This transformation can be used in the development of wireless energy transmission systems through free space, for example, terrestrial power systems located in remote areas.

Еще одним важным частным случаем данного изобретения является преобразование энергии оптического излучения с произвольной шириной спектра в энергию электромагнитных колебаний низкой частоты, в частности, в энергию электромагнитных (электрических) колебаний промышленной частоты (т.е. в энергию переменного тока) и в энергию электромагнитных (электрических) колебаний сколь угодно малой частоты (т.е. в энергию постоянного тока). Another important particular case of this invention is the conversion of the energy of optical radiation with an arbitrary spectral width into the energy of electromagnetic oscillations of low frequency, in particular, the energy of electromagnetic (electrical) oscillations of industrial frequency (i.e., AC energy) and electromagnetic energy ( electrical) vibrations of arbitrarily small frequency (i.e. into direct current energy).

Для более эффективного подобного преобразования энергии можно преобразовывать вышеуказанным способом энергию оптического излучения в энергию электромагнитных колебаний или волн радиодиапазона, в частности СВЧ диапазона, а затем дополнительно использовать выпрямительные устройства, например СВЧ выпрямители, позволяющие путем выпрямления преобразовывать электромагнитную энергию колебаний или волн радиодиапазона, в частности СВЧ диапазона, в энергию постоянного или переменного тока. For a more efficient such conversion of energy, it is possible to convert the energy of optical radiation into the energy of electromagnetic waves or waves of the radio range, in particular the microwave range, in the above way, and then additionally use rectifier devices, for example microwave rectifiers, which make it possible to rectify the electromagnetic energy of oscillations or waves of the radio range, in particular Microwave range, in energy of direct or alternating current.

Из всех видов модуляции исходного оптического излучения самым простым и эффективным является модуляция по фазе или частоте гармоническими колебаниями постоянной частоты радио- или более низкочастотного диапазона. Of all the types of modulation of the initial optical radiation, the simplest and most effective is the phase or frequency modulation by harmonic oscillations of the constant frequency of the radio or lower frequency range.

В качестве нелинейной среды без центра инверсии в данном изобретении могут использоваться квадратичные нелинейные среды, к которым относятся нецентросимметричные кристаллы. As a nonlinear medium without an inversion center, quadratic nonlinear media, which include non-centrosymmetric crystals, can be used in this invention.

В частности, квадратичной нелинейной средой является кристаллический кварц. Технология выращивания искусственных кристаллов кварца хорошо разработана. Кроме того, кристаллический кварц прозрачен как для исходного оптического излучения (оптический диапазон прозрачности кварца: от λ1 = 0,15 мкм до λ2 = 4,5 мкм), так и для СВЧ излучения. Поэтому кристаллический кварц является перспективным материалом для использования в данном изобретении при преобразовании энергии оптического излучения с произвольной шириной спектра в энергию колебаний или волн радиодиапазона, в частности СВЧ диапазона.In particular, crystalline quartz is a quadratic nonlinear medium. The technology for growing artificial quartz crystals is well developed. In addition, crystalline quartz is transparent both for the initial optical radiation (optical transparency range of quartz: from λ 1 = 0.15 μm to λ 2 = 4.5 μm) and for microwave radiation. Therefore, crystalline quartz is a promising material for use in this invention when converting the energy of optical radiation with an arbitrary spectral width into the energy of vibrations or waves of the radio range, in particular the microwave range.

Как уже отмечалось, при использовании в данном изобретении сред с кубичной нелинейностью необходимо наличие постоянного электрического поля, приложенного к данной среде или, что то же самое, кубичная нелинейная среда должна быть помещена в постоянное электрическое поле. As already noted, when using media with cubic non-linearity in this invention, it is necessary to have a constant electric field applied to this medium or, what is the same thing, a cubic non-linear medium must be placed in a constant electric field.

В этом случае данное преобразование энергии протекает гораздо эффективнее, если частота одного из разрешенных переходов в данной среде равна или близка, либо кратна частоте колебаний или волн, генерируемых в среде, энергия которых накапливается с помощью резонаторов (частота этих генерируемых в среде колебаний или волн совпадает с резонансной частотой резонаторов). В рассматриваемом случае происходит резонансное возрастание кубичной нелинейной восприимчивости на данной частоте, что и приводит к увеличению эффективности данного преобразования энергии. In this case, this energy conversion proceeds much more efficiently if the frequency of one of the allowed transitions in a given medium is either close to or a multiple of the frequency of oscillations or waves generated in the medium whose energy is accumulated by resonators (the frequency of these oscillations or waves generated in the medium coincides with the resonant frequency of the resonators). In the case under consideration, there is a resonant increase in the cubic nonlinear susceptibility at a given frequency, which leads to an increase in the efficiency of this energy conversion.

Нелинейные среды без центра инверсии, такие как среды с квадратичной нелинейностью или среды с кубичной нелинейностью, помещенные в постоянное электрическое (или магнитное) поле, могут дополнительно обладать отрицательным поглощением на частоте колебаний или волн, генерируемых в данной среде и накапливаемых с помощью резонаторов, т.е. обладать отрицательным поглощением на резонансной частоте резонаторов. Отрицательное поглощение образуется за счет создания инверсии населенностей между соответствующими уровнями в среде. В этом случае в предлагаемом изобретении генерируемые в нелинейной среде колебания или волны будут дополнительно усиливаться за счет отрицательного поглощения, вызванного активностью среды на данной частоте. Nonlinear media without an inversion center, such as media with quadratic nonlinearity or media with cubic nonlinearity, placed in a constant electric (or magnetic) field, can additionally have negative absorption at the frequency of oscillations or waves generated in this medium and accumulated using resonators, t .e. have negative absorption at the resonant frequency of the resonators. Negative absorption is formed due to the creation of population inversion between the corresponding levels in the medium. In this case, in the present invention, oscillations or waves generated in a nonlinear medium will be further enhanced due to negative absorption caused by the activity of the medium at a given frequency.

В предлагаемом изобретении с целью осуществления условия синхронизма для взаимодействующих в нелинейной среде без центра инверсии гармоник модулированного оптического излучения и генерируемых в среде колебаний или волн с частотой, совпадающей с резонансной частотой резонаторов, энергия которых накапливается с помощью данных резонаторов, можно использовать нелинейную среду, размер которой Lо вдоль направления распространения модулированного оптического излучения не превышает длину когерентного взаимодействия (или длину когерентности) Lког, т.е. Lо ≤ Lког. Длина когерентного взаимодействия Lког - это максимально допустимый размер нелинейной среды без центра инверсии, на котором набег фаз всех взаимодействующих гармоник модулированного оптического излучения и генерируемых в данной среде колебаний или волн относительно друг друга не превышает π (180o).In the present invention, in order to fulfill the condition of synchronism for harmonics of modulated optical radiation interacting in a nonlinear medium without a center of inversion and generated in the medium of vibrations or waves with a frequency that coincides with the resonant frequency of the resonators, the energy of which is accumulated using these resonators, a nonlinear medium can be used, size which L о along the propagation direction of the modulated optical radiation does not exceed the length of the coherent interaction (or the length of the coherent aws) L coh , i.e. L о ≤ L coh . The coherent interaction length L coh is the maximum allowable size of a nonlinear medium without an inversion center, at which the phase incursion of all interacting harmonics of the modulated optical radiation and the oscillations or waves generated in this medium relative to each other does not exceed π (180 o ).

В этом случае условие синхронизма будет выполняться без принятия специальных мер, т.е. автоматически. In this case, the condition of synchronism will be satisfied without special measures, i.e. automatically.

Таким образом, условие синхронизма возможно осуществить путем выбора размера нелинейной среды Lо ≤ Lког.Thus, the condition of synchronism can be fulfilled by choosing the size of the nonlinear medium L о ≤ L coh .

В частности, для взаимодействующих в нелинейной среде без центра инверсии гармоник модулированного лазерного излучения и генерируемых в этой среде колебаний или волн с частотой, совпадающей с частотой модуляции, длина когерентного взаимодействия Lког определяется выражением (2) (см. пример 1).In particular, for harmonics of modulated laser radiation interacting in a nonlinear medium without an inversion center and oscillations or waves generated in this medium with a frequency that coincides with the modulation frequency, the coherent interaction length L coh is determined by expression (2) (see Example 1).

Для осуществления условия синхронизма при размерах нелинейной среды без центра инверсии вдоль направления распространения модулированного оптического излучения: Lо > Lког, необходимо выполнять специальные меры. С этой целью данная нелинейная среда может представлять собой набор нецентросимметричных кристаллов, например кристаллов кварца, размером вдоль направления распространения модулированного оптического излучения Lкр ≤ Lког, соприкасающихся между собой или посаженных на оптический контакт, и ориентированных друг относительно друга так, чтобы волны нелинейной поляризации (возникающие в кристаллах и являющиеся источником генерируемых в кристаллах колебаний или волн радио- или более низкочастотного диапазона) каждый раз при прохождении в другой кристалл испытывали скачок фазы на π (180o).To fulfill the condition of synchronism with the dimensions of a nonlinear medium without an inversion center along the propagation direction of the modulated optical radiation: L о > L coh , special measures must be taken. For this purpose, this nonlinear medium can be a set of noncentrosymmetric crystals, for example, quartz crystals, the size along the direction of propagation of the modulated optical radiation L cr ≤ L coh , touching each other or placed on the optical contact, and oriented relative to each other so that the waves of nonlinear polarization (occurring in crystals and being the source of oscillations or waves generated in the crystals of the radio or lower frequency range) each time passing We tested in a different crystal phase jump of π (180 o).

Если такая нелинейная среда состоит из m-кристаллов, размером Lкр ≃ Lког каждый, то общий размер среды Lо, на котором будет осуществляться условие синхронизма будет равен:
Lo = mLкр >> Lког
Большие напряженности оптических полей в нелинейных средах без центра инверсии с волноводной или волоконной геометрией, достигаемые при достаточно низких уровнях мощности исходного оптического излучения, а также возможности управления дисперсией (т.е. возможности осуществления условия синхронизма на достаточно протяженной области взаимодействия в данной среде размером Lо > Lког) позволяют, по сравнению с объемными протяженными нелинейными средами, получать те же КПД преобразования энергии при более низких значениях добротностей резонаторов, либо увеличивать эффективность данного преобразования энергии при тех же значениях добротностей резонаторов.
If such a nonlinear medium consists of m-crystals with sizes L cr ≃ L coh each, then the total medium size L о , on which the synchronism condition will be fulfilled, will be equal to:
L o = mL cr >> L co
High intensities of optical fields in nonlinear media without an inversion center with waveguide or fiber geometry, achieved at sufficiently low power levels of the initial optical radiation, as well as the possibility of controlling dispersion (i.e., the possibility of fulfilling the synchronism condition over a sufficiently extended interaction region in a given medium of size L about> L coh) allow, as compared with the volume extended nonlinear media, receive the same energy conversion efficiency at lower Q-factor D onatorov, or to increase the energy conversion efficiency for the same values Q of the resonator.

При преобразовании предлагаемым способом энергии оптического излучения в энергию колебаний или волн СВЧ диапазона можно использовать один объемный СВЧ резонатор, а данную нелинейную среду, облучаемую промодулированным оптическим излучением, размещать внутри этого объемного резонатора СВЧ диапазона, например прямоугольного СВЧ резонатора. В данном случае размер нелинейной среды без центра инверсии вдоль направления распространения промодулированного оптического излучения совпадает с размером прямоугольного СВЧ резонатора, поскольку среда заполняет резонатор, и этот размер, как правило, меньше Lког. В результате условие синхронизма будет выполняться автоматически без принятия специальных мер.When the proposed method converts the energy of optical radiation into the energy of vibrations or waves of the microwave range, one volume microwave cavity can be used, and this nonlinear medium irradiated with modulated optical radiation can be placed inside this volume cavity of the microwave range, for example, a rectangular microwave cavity. In this case, the size of a nonlinear medium without an inversion center along the propagation direction of the modulated optical radiation coincides with the size of a rectangular microwave resonator, since the medium fills the resonator, and this size is usually smaller than L coh . As a result, the condition of synchronism will be satisfied automatically without special measures.

Данную нелинейную среду можно размещать вне резонатора СВЧ диапазона, при этом энергию генерируемых в среде электромагнитных колебаний или волн отводят из среды и подводят к резонатору, в котором происходит процесс накопления этой энергии. This nonlinear medium can be placed outside the microwave cavity, while the energy of electromagnetic waves or waves generated in the medium is removed from the medium and brought to the resonator, in which this energy is stored.

В этом случае для развязки данной нелинейной среды и резонатора и предотвращения утечки накопленной энергии из резонатора обратно в среду можно использовать развязывающие вентильные устройства, обеспечивающие однонаправленную передачу энергии, например ферритовые вентили. In this case, to isolate this nonlinear medium and the resonator and prevent leakage of accumulated energy from the resonator back into the medium, you can use decoupling valve devices that provide unidirectional energy transfer, such as ferrite valves.

В рассматриваемом случае необходимо обеспечивать выполнение условия синхронизма для взаимодействующих в нелинейной среде без центра инверсии гармоник модулированного оптического излучения и колебаний или волн, генерируемых в данной среде и накапливаемых с помощью резонатора. С этой целью можно использовать нелинейную среду размером Lо ≤ Lког вдоль направления распространения модулированного оптического излучения, либо нелинейную среду в виде набора нецентросимметричных кристаллов, размером Lкр ≤ Lког каждый, посаженных на оптический контакт и ориентированных друг относительно друга вышеупоминавшимся образом.In the case under consideration, it is necessary to ensure that the synchronism condition is fulfilled for harmonics of modulated optical radiation and waves or waves generated in this medium and accumulated using a resonator that interact in a nonlinear medium without an inversion center. For this purpose, one can use a nonlinear medium of size L о ≤ L coh along the propagation direction of the modulated optical radiation, or a non-linear medium in the form of a set of noncentrosymmetric crystals of size L cr ≤ L coh each, placed on an optical contact and oriented relative to each other in the manner mentioned above.

Геометрия нелинейной среды без центра инверсии в данном случае может иметь не только объемный протяженный характер, но и волноводный или волоконный характер. The geometry of a nonlinear medium without an inversion center in this case can have not only a volumetric extended character, but also a waveguide or fiber character.

С целью снижения потерь, возникающих при отводе из нелинейной среды без центра инверсии энергии колебаний или волн, генерируемых в этой среде, и подводе этой энергии к резонатору, можно использовать объемный СВЧ резонатор с емкостным зазором, в котором размещается данная нелинейная среда, облучаемая оптическим промодулированным излучением, например тороидальный СВЧ резонатор. In order to reduce losses arising from the removal of a nonlinear medium without a center of inversion of the energy of oscillations or waves generated in this medium and the supply of this energy to the resonator, it is possible to use a volume microwave resonator with a capacitive gap in which this nonlinear medium is irradiated with an optical modulated radiation, for example a toroidal microwave cavity.

В этом случае также, как и в предыдущих, для осуществления условия синхронизма между всеми взаимодействующими в данной нелинейной среде волнами можно использовать нелинейную среду без центра инверсии, размером Lо ≤ Lког, вдоль направления распространения модулированного оптического излучения, либо нелинейную среду без центра инверсии, в виде набора нецентросимметричных кристаллов, размером Lкр ≤ Lког каждый, посаженных на оптический контакт и ориентированных друг относительно друга вышеупоминавшимся образом, либо использовать нелинейные среды с волоконной или волноводной геометрией.In this case, as well as in the previous ones, to fulfill the condition of synchronism between all the waves interacting in a given nonlinear medium, one can use a nonlinear medium without an inversion center of size L о ≤ L coh along the propagation direction of the modulated optical radiation, or a nonlinear medium without an inversion center , in the form of a set of noncentrosymmetric crystals of size L cr ≤ L coh each, placed on an optical contact and oriented relative to each other in the manner mentioned above, or use Inline media with fiber or waveguide geometry.

При преобразовании энергии исходного оптического излучения в энергию низкочастотной части радиодиапазона в качестве резонаторов можно использовать колебательные контуры, между обкладками конденсатора которого размещают нелинейную среду без центра инверсии, облучаемую модулированным оптическим излучением. When converting the energy of the initial optical radiation into the energy of the low-frequency part of the radio range, oscillatory circuits can be used as resonators, between the capacitor plates of which there is a nonlinear medium without an inversion center irradiated with modulated optical radiation.

КПД данного преобразования энергии зависит от величины добротности резонатора, и для получения высоких КПД преобразования в рассмотренных случаях накопления преобразованной энергии с помощью одного резонатора можно использовать резонаторы с очень высокой добротностью, в частности сверхпроводящие резонаторы с добротностью Q > 109 (криоэлектронные сверхпроводящие резонаторы).The efficiency of this energy conversion depends on the quality factor of the resonator, and to obtain high conversion efficiency in the considered cases of accumulation of the converted energy using one resonator, resonators with a very high quality factor can be used, in particular, superconducting resonators with a quality factor of Q> 10 9 (cryoelectronic superconducting resonators).

Для достижения высоких КПД данного преобразования энергии при невысоких значениях добротностей резонаторов можно использовать последовательное расположение по ходу распространения промодулированного оптического излучения нескольких участков нелинейной среды с соответствующими этим участкам резонаторами, накапливающими преобразованную на каждом из участков среды энергию. В этом случае модулированное оптическое излучение проходит через первый участок нелинейной среды без центра инверсии с соответствующим резонатором, в результате на этом участке с помощью предлагаемого способа происходит преобразование части энергии промодулированного оптического излучения в электромагнитную энергию радио- или более низкочастотного диапазона. Оставшаяся непреобразованная часть энергии промодулированного оптического излучения испытывает дальнейшее преобразование на следующем участке нелинейной среды (расположенном по ходу распространения промодулированного оптического излучения) с соответствующим резонатором, в котором осуществляется накопление преобразованной энергии вышеуказанным образом и т.д. Размеры участков нелинейных сред без центра инверсии в рассматриваемом случае подбирают из соображений осуществления условия синхронизма для взаимодействующих в среде гармоник промодулированного оптического излучения и данных колебаний или волн, генерируемых в среде, энергию которых накапливают с помощью резонатора. To achieve high efficiencies of this energy conversion at low values of the Q factors of the resonators, one can use a sequential arrangement of several sections of a nonlinear medium along the propagation of the modulated optical radiation with resonators corresponding to these sections, which accumulate the energy converted in each section of the medium. In this case, the modulated optical radiation passes through the first section of the nonlinear medium without an inversion center with the corresponding resonator; as a result, using this method, a part of the energy of the modulated optical radiation is converted into electromagnetic energy of the radio or lower frequency range. The remaining unconverted part of the energy of the modulated optical radiation undergoes further conversion in the next section of the nonlinear medium (located along the propagation of the modulated optical radiation) with the corresponding resonator, in which the converted energy is accumulated in the above manner, etc. The sizes of sections of nonlinear media without an inversion center in the case under consideration are selected for reasons of synchronism for the harmonics of the modulated optical radiation interacting in the medium and for the data of the vibrations or waves generated in the medium whose energy is stored using the resonator.

Высокие значения КПД данного преобразования энергии при невысоких значениях добротности резонаторов можно также добиться, используя многократное прохождение модулированного оптического излучения по замкнутому контуру через один и тот же участок нелинейной среды без центра инверсии, а накопление преобразованной энергии производить в соответствующем этому участку резонаторе вышеуказанным образом. High values of the efficiency of this energy conversion at low values of the Q factor of the resonators can also be achieved using multiple passage of modulated optical radiation along a closed loop through the same section of a nonlinear medium without an inversion center, and the accumulated converted energy can be stored in the resonator corresponding to this section in the above manner.

В этом случае многократное прохождение модулированного оптического излучения по замкнутому контуру через один и тот же участок нелинейной среды можно обеспечить с помощью оптических элементов типа зеркал, призм, оптических волокон и т.п. In this case, the multiple passage of modulated optical radiation along a closed loop through the same section of a nonlinear medium can be achieved using optical elements such as mirrors, prisms, optical fibers, etc.

Для накопления преобразованной энергии можно использовать несколько резонаторов, объединенных в каскады, с одной и той же резонансной частотой, равной либо кратной частоте модуляции и совпадающей с частотой данных колебаний или волн, генерируемых в нелинейной среде без центра инверсии. Нелинейная среда без центра инверсии может располагаться как внутри резонатора первого каскада, так и вне его. В рассматриваемом случае энергия генерируемых в данной среде колебаний или волн накапливается в первом резонаторе невысокой добротности (резонаторе первого каскада). Затем накопленная в первом резонаторе преобразованная энергия подводится ко второму резонатору (резонатору второго каскада) с той же резонансной частотой, где процесс накопления преобразованной энергии радио- или более низкочастотного диапазона продолжится. Из резонатора второго каскада накопленная преобразованная энергия может подводиться к резонатору третьего каскада и т.д. Для предотвращения влияния каждого последующего резонатора на предыдущий можно использовать развязывающие вентили, пропускающие преобразованную энергию только в одном направлении от резонатора предыдущего каскада к резонатору последующего каскада, например, ферритовые вентили. To store the converted energy, several resonators combined in cascades can be used with the same resonant frequency equal to or a multiple of the modulation frequency and coinciding with the frequency of these oscillations or waves generated in a nonlinear medium without an inversion center. A nonlinear medium without an inversion center can be located both inside the cavity of the first cascade and outside it. In the case under consideration, the energy of oscillations or waves generated in a given medium is accumulated in the first low-Q resonator (resonator of the first cascade). Then, the converted energy stored in the first resonator is supplied to the second resonator (the resonator of the second stage) with the same resonant frequency, where the accumulation of the converted energy of the radio or lower frequency range will continue. From the resonator of the second stage, the stored converted energy can be supplied to the resonator of the third stage, etc. To prevent the influence of each subsequent resonator on the previous one, isolation valves can be used that transmit converted energy in only one direction from the resonator of the previous stage to the resonator of the subsequent stage, for example, ferrite valves.

Некоторые нелинейные среды без центра инверсии, например, кристаллический кварц, дополнительно обладают выраженными электрооптическими свойствами. В этом случае модуляцию оптического излучения и генерацию колебаний или волн радио- или более низкочастотного диапазона можно осуществлять в одной и той же нелинейной среде без центра инверсии. То есть одна и та же данная нелинейная среда может являться за счет электрооптических свойств средой электрооптического модулятора, осуществляющего модуляцию исходного оптического излучения по фазе (или частоте), в частности, средой для электрооптического модулятора бегущей волны, а также средой, в которой происходит генерация колебаний или волн радио- или более низкочастотного диапазона за счет наличия соответствующих нелинейных свойств. При этом процессы модуляции оптического излучения и генерации колебаний или волн радио- или более низкочастотного диапазона могут протекать параллельно. Some nonlinear media without an inversion center, for example, crystalline quartz, additionally have pronounced electro-optical properties. In this case, the modulation of optical radiation and the generation of oscillations or waves of the radio or lower frequency range can be carried out in the same nonlinear medium without an inversion center. That is, the same given nonlinear medium can be due to the electro-optical properties a medium of an electro-optical modulator that modulates the initial optical radiation in phase (or frequency), in particular, a medium for an electro-optical traveling wave modulator, as well as a medium in which oscillation occurs or waves of the radio or lower frequency range due to the presence of the corresponding nonlinear properties. In this case, the processes of modulation of optical radiation and generation of oscillations or waves of the radio or lower frequency range can occur in parallel.

Более того, если нелинейная среда без центра инверсии, например кристаллический кварц, обладает электрооптическими свойствами, нелинейностью и пьезоэлектрическими свойствами, то в одной среде можно осуществить все этапы данного способа преобразования энергии, а именно: модуляцию оптического излучения, генерацию колебаний или волн радио- или более низкочастотного диапазона и накопление преобразованной энергии данных колебаний или волн за счет пьезоэлектрических свойств среды при совпадении частоты генерируемых колебаний или волн, энергия которых должна накапливаться, с собственной частотой механических колебаний данной среды. В этом случае одна и та же среда за счет электрооптических свойств может являться средой электрооптического модулятора, осуществляющего модуляцию оптического излучения по фазе (или частоте) вышеуказанным образом, средой, в которой происходит генерация колебаний или волн радио- или более низкочастотного диапазона за счет соответствующих нелинейных свойств и средой пьезоэлектрического резонатора, в котором может осуществляться накопление преобразованной энергии. При этом процессы модуляции, генерации и накопления преобразованной энергии могут протекать параллельно. Moreover, if a nonlinear medium without an inversion center, for example, crystalline quartz, has electro-optical properties, nonlinearity, and piezoelectric properties, then all steps of this method of energy conversion can be carried out in one medium, namely: modulation of optical radiation, generation of oscillations or waves of radio or lower frequency range and the accumulation of the converted energy of these oscillations or waves due to the piezoelectric properties of the medium when the frequency of the generated oscillations or waves coincides, The energy of which should be accumulated with the natural frequency of mechanical vibrations of a given medium. In this case, the same medium due to the electro-optical properties can be a medium of an electro-optical modulator that modulates optical radiation in phase (or frequency) in the above manner, a medium in which oscillations or waves of the radio or lower frequency range are generated due to the corresponding nonlinear properties and the environment of the piezoelectric resonator, in which the accumulation of converted energy can be carried out. In this case, the processes of modulation, generation and accumulation of converted energy can occur in parallel.

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

Для усиления с помощью предлагаемого способа высокочастотного сигнала, представляющего собой высокочастотные электромагнитные колебания, формируемые от независимого высокочастотного генератора, необходимо этими колебаниями осуществлять модуляцию исходного оптического излучения, при этом резонансная частота резонаторов, накапливающих преобразованную энергию, должна совпадать с частотой модуляции, т.е. с частотой усиливаемых исходных колебаний. При выводе накопленной преобразованной энергии из резонатора получают высокочастотные колебания более мощные, чем исходные и той же частоты, т.е. происходит усиление исходных высокочастотных колебаний, которыми модулируют оптическое излучение. To amplify using the proposed method a high-frequency signal, which is high-frequency electromagnetic waves generated from an independent high-frequency generator, it is necessary to modulate the initial optical radiation with these oscillations, while the resonant frequency of the resonators accumulating the converted energy must coincide with the modulation frequency, i.e. with the frequency of amplified initial oscillations. When the stored converted energy is removed from the resonator, high-frequency oscillations are obtained that are more powerful than the original ones of the same frequency, i.e. amplification of the initial high-frequency oscillations, which modulate the optical radiation, occurs.

В данном случае усиление высокочастотных электромагнитных колебаний, которыми модулируют оптическое излучение, происходит за счет преобразования энергии оптического излучения в энергию высокочастотных электромагнитных колебаний с частотой, равной частоте модуляции и совпадающей с резонансной частотой. In this case, the amplification of high-frequency electromagnetic waves, which modulate optical radiation, occurs due to the conversion of the energy of optical radiation into the energy of high-frequency electromagnetic waves with a frequency equal to the modulation frequency and coinciding with the resonant frequency.

Для самовозбуждения, т.е. для генерации электромагнитных высокочастотных колебаний, в частности колебаний СВЧ диапазона, в вышеописанном случае усиления колебаний, достаточно с помощью цепи обратной связи осуществлять положительную обратную связь между резонатором, в котором происходит накопление преобразованной энергии (выходом схемы усиления) и колебаниями, модулирующими оптическое излучение (входом модулятора или входом схемы усиления). С этой целью часть преобразованной и накопленной в резонаторе энергии передают на вход модулятора для модуляции исходного оптического излучения, т.е. используют часть преобразованной энергии для формирования модулирующего сигнала. For self-excitation, i.e. To generate electromagnetic high-frequency oscillations, in particular, microwave oscillations, in the case of amplification of oscillations described above, it is sufficient to use positive feedback between the resonator, in which the converted energy is accumulated (by the output of the amplification circuit) and vibrations modulating optical radiation (by the input) modulator or input gain circuit). To this end, part of the energy converted and stored in the resonator is transmitted to the input of the modulator to modulate the initial optical radiation, i.e. use part of the converted energy to form a modulating signal.

Для умножения частот, т.е. увеличения в целое число раз частоты высокочастотных колебаний, в вышеописанном случае усиления электромагнитных колебаний, резонансную частоту резонатора подбирают кратной частоте модуляции. В этом случае с помощью предлагаемого способа преобразования происходит преобразование энергии оптического излучения в энергию высокочастотных колебаний с частотой, кратной частоте модуляции и совпадающей с резонансной частотой. В результате при выводе накопленной преобразованной энергии из резонатора получают электромагнитные колебания с частотой, в целое число раз превышающей частоту исходных электромагнитных колебаний, которыми модулируют оптическое излучение, т.е. осуществляют умножение частот. To multiply frequencies, i.e. increase in an integer number of times the frequency of high-frequency oscillations, in the above case of amplification of electromagnetic oscillations, the resonant frequency of the resonator is selected multiple of the modulation frequency. In this case, using the proposed conversion method, the energy of optical radiation is converted into the energy of high-frequency oscillations with a frequency that is a multiple of the modulation frequency and coincides with the resonant frequency. As a result, when the accumulated converted energy is removed from the resonator, electromagnetic oscillations are obtained with a frequency an integer number of times higher than the frequency of the initial electromagnetic oscillations, which modulate the optical radiation, i.e. multiply frequencies.

В изобретении в качестве исходного оптического излучения можно использовать лазерное излучение. Такие характеристики лазерного излучения как малая угловая расходимость, высокая мощность излучения при использовании лазеров большой мощности делают лазерное излучение эффективным для данного преобразования энергии. In the invention, laser radiation can be used as the initial optical radiation. Such characteristics of laser radiation as low angular divergence, high radiation power when using high power lasers make laser radiation effective for this energy conversion.

В предлагаемом изобретении можно использовать как излучение лазеров непрерывного действия, так и импульсного действия. In the present invention, it is possible to use both radiation from continuous-wave and pulsed lasers.

При использовании излучения лазеров импульсного действия необходимо, чтобы время длительности импульса Ti лазерного излучения существенно превосходило период модулирующих колебаний постоянной частоты Тмод (Ti > Тмод), где

Figure 00000002
- циклическая частота модуляции.When using pulsed laser radiation, it is necessary that the pulse duration T i of the laser radiation substantially exceeds the period of modulating oscillations of a constant frequency T mod (T i > T mod ), where
Figure 00000002
- cyclic modulation frequency.

В качестве исходного оптического излучения в предлагаемом способе преобразования энергии может использоваться солнечное излучение. As the initial optical radiation in the proposed method of energy conversion can be used solar radiation.

Данное изобретение позволяет осуществить преобразование энергии Солнечного излучения на поверхности Земли в энергию электромагнитных колебаний или волн радио- или более низкочастотного диапазона, в частности в электромагнитную энергию СВЧ диапазона, а также в энергию переменного или постоянного тока. This invention allows the conversion of the energy of solar radiation on the Earth's surface into the energy of electromagnetic waves or waves of the radio or lower frequency range, in particular into the electromagnetic energy of the microwave range, as well as into alternating or direct current energy.

Еще одним важным частным случаем является преобразование энергии солнечного излучения в электромагнитную энергию радио- или более низкочастотного диапазона, в частности СВЧ диапазона, предлагаемым способом на космическом объекте, размещенном, например на геосинхронной (или солнечно-синхронной) орбите, и передача полученной в результате преобразования энергии СВЧ излучения на Землю или на другие космические объекты, где оно улавливается специальной антенной и может преобразовываться далее с помощью выпрямительных устройств, например СВЧ выпрямителей, в электрическую энергию постоянного или переменного тока. Another important particular case is the conversion of the energy of solar radiation into electromagnetic energy of the radio or lower frequency range, in particular the microwave range, by the proposed method in a space object placed, for example, in geosynchronous (or solar-synchronous) orbit, and transferring the result of the conversion energy of microwave radiation to the Earth or to other space objects, where it is captured by a special antenna and can be converted further using rectifier devices, for example Microwave rectifiers into electrical energy of direct or alternating current.

В этом случае для передачи преобразованной энергии на Землю частоту модуляции солнечного излучения подбирают так, чтобы резонансная частота одного или нескольких резонаторов, равная либо кратная частоте модуляции, находилась в пределах частотного диапазона прозрачности атмосферы. В результате частотный диапазон преобразованной СВЧ энергии будет находиться в пределах частотного диапазона прозрачности атмосферы и передача преобразованной СВЧ энергии на Землю будет происходить с минимальными потерями. In this case, to transfer the converted energy to the Earth, the modulation frequency of solar radiation is selected so that the resonance frequency of one or more resonators, equal to or a multiple of the modulation frequency, is within the frequency range of the transparency of the atmosphere. As a result, the frequency range of the converted microwave energy will be within the frequency range of the transparency of the atmosphere and the transfer of converted microwave energy to the Earth will occur with minimal loss.

С целью повышения эффективности функционирования данного способа преобразования энергии и снижения требований к добротностям резонаторов при преобразовании и накоплении энергии можно использовать вспомогательные оптические системы для фокусировки оптического излучения и придания этому излучению после модуляции заранее заданной формы при его распространении в нелинейной среде без центра инверсии. In order to increase the efficiency of the operation of this method of energy conversion and reduce the requirements for the Q factors of resonators during energy conversion and storage, auxiliary optical systems can be used to focus optical radiation and give this radiation after modulation a predetermined shape when it propagates in a nonlinear medium without an inversion center.

Для увеличения энергии преобразуемого оптического излучения, осуществляют параллельное преобразование предлагаемым способом энергии нескольких потоков оптического излучения одновременно (например, с помощью нескольких модуляторов оптического излучения, нескольких участков нелинейных сред без центра инверсии с соответствующими этим участкам резонаторами), при этом все каналы для передачи преобразованной энергии от каждого потока оптического излучения (этими каналами могут являться коаксиальные кабели или волноводы) коммутируют в один общий канал (например, волновод или коаксиальный кабель) для передачи результирующей преобразованной энергии от всех потоков. В частности, одновременное преобразование предлагаемым способом энергии нескольких потоков солнечного излучения позволяет производить данное преобразование солнечной энергии с большей площади, т.е. позволяет увеличить энергию солнечного излучения, подлежащую преобразованию. To increase the energy of the converted optical radiation, the energy of several optical radiation streams is simultaneously converted by the proposed method simultaneously (for example, using several optical radiation modulators, several sections of nonlinear media without an inversion center with resonators corresponding to these sections), all channels for transmitting converted energy from each stream of optical radiation (these channels can be coaxial cables or waveguides) one common channel (for example, a waveguide or coaxial cable) for transmitting the resulting converted energy from all streams. In particular, the simultaneous conversion of the energy of several streams of solar radiation by the proposed method allows this conversion of solar energy from a larger area, i.e. allows you to increase the energy of solar radiation to be converted.

На чертежах приведены примеры преобразования энергии оптического излучения с произвольной шириной спектра в энергию электромагнитных колебаний или волн радио- или более низкочастотного диапазона предлагаемым способом. The drawings show examples of the conversion of the energy of optical radiation with an arbitrary spectral width into the energy of electromagnetic waves or waves of the radio or lower frequency range of the proposed method.

На фиг. 1 показана основанная на данном изобретении схема преобразования энергии лазерного излучения в СВЧ энергию с помощью объемного СВЧ резонатора, в которым размещен кристалл кварца; на фиг.2 - схема преобразования энергии лазерного излучения в СВЧ энергию с использованием предлагаемого изобретения, в которой кристалл кварца расположен вне СВЧ резонатора; на фиг. 3 - схема преобразования энергии лазерного излучения предлагаемым способом в СВЧ энергию с помощью тороидального резонатора СВЧ диапазона, в емкостном зазоре которого размещен кристалл кварца; на фиг.4 - схема преобразования энергии лазерного излучения в СВЧ энергию с помощью нескольких участков нелинейной среды без центра инверсии (нескольких кристаллов кварца) с соответствующими этим участкам среды (кристаллам кварца) резонаторами, основанная на данном изобретении; на фиг.5 - схема, осуществляющая преобразование энергии лазерного излучения в СВЧ энергию путем многократного прохождения промодулированного лазерного излучения по замкнутому контуру с использованием предлагаемого изобретения, где: 1 - пучок лазерного излучения; 2 - модулятор; 3 - модулированное лазерное излучение; 4, 4' - кристаллы кварца; 5, 5'- электромагнитные резонаторы СВЧ диапазона; 6 - контакт, нанесенный на поверхность кристалла кварца; 7 - коаксиальный кабель (или волновод); 8 - полупрозрачное зеркало; 9, 10, 11 - зеркала. In FIG. 1 shows a scheme for converting laser radiation energy into microwave energy based on the present invention using a volume microwave cavity in which a quartz crystal is placed; figure 2 - diagram of the conversion of laser radiation energy into microwave energy using the invention, in which a quartz crystal is located outside the microwave resonator; in FIG. 3 is a diagram of the conversion of laser energy by the proposed method into microwave energy using a toroidal resonator of the microwave range, in the capacitive gap of which a quartz crystal is placed; figure 4 is a diagram of the conversion of laser radiation energy into microwave energy using several sections of a nonlinear medium without an inversion center (several quartz crystals) with resonators corresponding to these sections of the medium (quartz crystals), based on this invention; figure 5 is a diagram that converts the energy of laser radiation into microwave energy by repeatedly passing the modulated laser radiation in a closed loop using the invention, where: 1 - a beam of laser radiation; 2 - modulator; 3 - modulated laser radiation; 4, 4 '- quartz crystals; 5, 5'- microwave electromagnetic resonators; 6 - contact deposited on the surface of a quartz crystal; 7 - coaxial cable (or waveguide); 8 - translucent mirror; 9, 10, 11 - mirrors.

Пример 1. Преобразование энергии лазерного излучения непрерывного действия в электромагнитную энергию СВЧ диапазона. Example 1. Converting the energy of continuous-wave laser radiation into microwave electromagnetic energy.

На фиг.1 исходное лазерное излучение непрерывного действия (1) с циклической частотой ωo с помощью модулятора (2) модулируют по фазе (или частоте) гармоническими колебаниями постоянной частоты СВЧ диапазона.In figure 1, the original continuous-wave laser radiation (1) with a cyclic frequency ω o using a modulator (2) is modulated in phase (or frequency) by harmonic oscillations of the constant frequency of the microwave range.

Промодулированное лазерное излучение (3), которым облучают кристаллический кварц (4), распространяется в прозрачном кристалле кварца, помещенном в резонатор (5). Modulated laser radiation (3), which is irradiated with crystalline quartz (4), propagates in a transparent quartz crystal placed in the resonator (5).

В схеме на фиг.1 в качестве резонатора (5) используется объемный прямоугольный резонатор СВЧ диапазона с резонансной частотой, совпадающей с частотой модуляции. In the circuit of FIG. 1, a cavity rectangular microwave cavity resonator with a resonant frequency matching the modulation frequency is used as a resonator (5).

В качестве нелинейной среды без центра инверсии используется квадратичная нелинейная среда, а именно кристалл кварца. A quadratic nonlinear medium, namely, a quartz crystal, is used as a nonlinear medium without an inversion center.

Оптический диапазон прозрачности кристаллического кварца находится в пределах длин волн λ = 0,15 - 4,5 мкм, кроме того, кварц прозрачен для электромагнитных волн СВЧ диапазона. The optical transparency range of crystalline quartz is in the range of wavelengths λ = 0.15 - 4.5 microns, in addition, quartz is transparent for electromagnetic waves in the microwave range.

Поскольку резонансная частота резонатора совпадает с частотой модуляции (в данном примере резонансная частота является частотой основного колебания резонатора), то размер резонатора Lо вдоль направления распространения модулированного лазерного излучения, который совпадает с размером кристалла кварца (4), заполняющим этот резонатор, определяется следующим образом:

Figure 00000003
,
где nΩ - коэффициент преломления кристалла кварца на частоте модуляции,
Ω - циклическая частота модуляции,
С - скорость в вакууме.Since the resonant frequency of the resonator coincides with the modulation frequency (in this example, the resonant frequency is the frequency of the main oscillation of the resonator), the size of the resonator L о along the propagation direction of the modulated laser radiation, which coincides with the size of the quartz crystal (4) filling this resonator, is determined as follows :
Figure 00000003
,
where n Ω is the refractive index of the quartz crystal at the modulation frequency,
Ω is the cyclic modulation frequency,
C is the speed in vacuum.

Как известно спектр модулированного по фазе (или частоте) вышеуказанным образом лазерного излучения с частотой ωo оказывается дискретным, симметричным относительно ωo и содержащим множество боковых частот вида ωn= ωo± nΩ , где n = 1, 2, 3, ... с амплитудами, распределенными по функциям Бесселя.As you know, the spectrum of the phase modulated in phase (or frequency) laser radiation with the frequency ω o in the above manner turns out to be discrete, symmetric with respect to ω o and containing many side frequencies of the form ω n = ω o ± nΩ, where n = 1, 2, 3, .. with amplitudes distributed over Bessel functions.

Таким образом, при фазовой (или частотной) модуляции гармоническими колебаниями лазерного излучения, несущей частоте ωo (частоте лазерного излучения до модуляции) соответствует в частотном спектре промодулированного лазерного излучения множество частот, равноотстоящих друг от друга на частоту модуляции Ω.Thus, with phase (or frequency) modulation by harmonic oscillations of the laser radiation, the carrier frequency ω o (laser frequency before modulation) corresponds to the frequency spectrum of the modulated laser radiation, many frequencies equally spaced from each other by the modulation frequency Ω.

Поэтому распространение модулированного по фазе (или частоте) лазерного излучения в нелинейной среде без центра инверсии (в данном случае в кристалле кварца) можно рассматривать как распространение совокупности гармоник (спектральных составляющих) модулированного излучения, т.е. совокупности гармонических волн с частотами ωn= ωo± nΩ , где n = 1, 2, 3 ... и амплитудами, распределенными по функциям Бесселя.Therefore, the propagation of laser radiation modulated by phase (or frequency) in a nonlinear medium without an inversion center (in this case, in a quartz crystal) can be considered as the propagation of a set of harmonics (spectral components) of the modulated radiation, i.e. sets of harmonic waves with frequencies ω n = ω o ± nΩ, where n = 1, 2, 3 ... and amplitudes distributed over the Bessel functions.

Можно показать, что длина когерентного взаимодействия (длина когерентности) Lког (Lког - максимальное расстояние в кристалле кварца, на котором набег фаз для всех взаимодействующих в этом кристалле гармоник модулированного излучения и генерируемых волн СВЧ диапазона с частотой, совпадающей с частотой модуляции, относительно друг друга не превышает π (180o)) описывается выражением:

Figure 00000004
,
где nΩ - коэффициент преломления кристалла кварца на частоте модуляции,
Ω - циклическая частота модуляции,
nωгрн - коэффициент преломления на нижней границе оптического диапазона кристалла кварца.It can be shown that the length of the coherent interaction (coherence length) L coh (L coh is the maximum distance in the quartz crystal at which the phase incursion for all harmonics of modulated radiation and generated microwave waves interacting in this crystal with a frequency coinciding with the modulation frequency, with respect to each other does not exceed π (180 o )) is described by the expression:
Figure 00000004
,
where n Ω is the refractive index of the quartz crystal at the modulation frequency,
Ω is the cyclic modulation frequency,
n ωgrn is the refractive index at the lower boundary of the optical range of a quartz crystal.

Из сравнения выражений (1) и (2) легко получить, что Lо < Lког.From a comparison of expressions (1) and (2), it is easy to obtain that L о <L coh .

Следовательно в данном случае условие синхронизма для всех взаимодействующих волн в кристалле кварца выполняется автоматически без принятия специальных мер, вследствие чего данные взаимодействия являются синфазными. Therefore, in this case, the condition of synchronism for all interacting waves in a quartz crystal is automatically satisfied without special measures, as a result of which the interaction data are in phase.

Таким образом, в схеме на фиг.1 промодулированное лазерное излучение (3), которым облучают кристалл кварца (4), начинает распространяться в этом прозрачном кристалле, из-за нелинейности свойств которого начинают происходить синфазные взаимодействия между гармониками модулированного излучения и в результате возникает генерация в данном кристалле электромагнитной волны СВЧ диапазона на частоте, совпадающей с частотой модуляции, т.е. возникает генерация СВЧ излучения. Генерация СВЧ излучения происходит из-за того, что вследствие биений гармоник модулированного лазерного излучения в кристалле кварца возникают волны нелинейной поляризации на разностной частоте, совпадающей с частотой модуляции СВЧ диапазона, которые и являются источником генерируемого СВЧ излучения (в данном случае источником генерируемой электромагнитной волны СВЧ диапазона с частотой, равной частоте модуляции). Thus, in the circuit of Fig. 1, the modulated laser radiation (3), which is irradiated with a quartz crystal (4), begins to propagate in this transparent crystal, due to the nonlinearity of the properties of which in-phase interactions between the harmonics of the modulated radiation begin to occur, and as a result lasing in this crystal of an electromagnetic wave of the microwave range at a frequency that coincides with the modulation frequency, i.e. microwave generation occurs. The generation of microwave radiation occurs due to the beat of harmonics of modulated laser radiation in a quartz crystal, nonlinear polarization waves arise at the difference frequency, which coincides with the modulation frequency of the microwave range, which are the source of the generated microwave radiation (in this case, the source of the generated electromagnetic microwave wave range with a frequency equal to the modulation frequency).

При дальнейшем распространении модулированного лазерного излучения в кристалле кварца будут происходить синфазные взаимодействия между гармониками модулированного излучения и генерируемым СВЧ излучением, которые приведут к дальнейшему росту мощности генерируемого СВЧ излучения с частотой, совпадающей с частотой модуляции, т.е. будет происходить преобразование энергии лазерного излучения в СВЧ энергию. With the further propagation of modulated laser radiation in a quartz crystal, in-phase interactions between the harmonics of the modulated radiation and the generated microwave radiation will occur, which will lead to a further increase in the power of the generated microwave radiation with a frequency that coincides with the modulation frequency, i.e. The conversion of laser radiation energy into microwave energy will occur.

Для увеличения эффективности данного преобразования энергии в схеме на фиг.1 осуществляют накопление преобразованной энергии СВЧ диапазона с помощью прямоугольного СВЧ резонатора (5) с резонансной частотой, совпадающей с частотой модуляции, причем накопление преобразованной энергии в данном случае происходит следующим образом. To increase the efficiency of this energy conversion in the circuit in figure 1, the converted microwave energy is stored using a rectangular microwave resonator (5) with a resonant frequency coinciding with the modulation frequency, and the converted energy is accumulated in this case as follows.

При прохождении вдоль оси Z модулированного лазерного излучения через кристалл кварца генерируемое в нем СВЧ излучение также распространяется вдоль оси Z. Затем это СВЧ излучение отражается от стенки резонатора и распространяется в обратном направлении, при этом взаимодействия с гармониками модулированного излучения не происходит. Отразившись от второй стенки резонатора, СВЧ излучение с частотой, равной частоте модуляции, оказывается в фазе само с собой и с гармониками модулированного излучения и процесс генерации СВЧ излучения при осуществлении условия синхронизма для всех взаимодействующих в кристалле кварца волн повторится. Таким образом, СВЧ излучение с частотой, равной частоте модуляции, периодически отражаясь от стенок резонатора, будет проходить через кристалл кварца неоднократно, каждый раз усиливаясь. В результате энергия генерируемого в кристалле кварца (4) СВЧ излучения будет накапливаться в высокодобротном резонаторе (5) в течение длительного времени. When the modulated laser radiation passes along the Z axis through the quartz crystal, the microwave radiation generated in it also propagates along the Z axis. Then, this microwave radiation is reflected from the cavity wall and propagates in the opposite direction, with no interaction with the harmonics of the modulated radiation. Reflected from the second cavity wall, microwave radiation with a frequency equal to the modulation frequency is in phase with itself and with harmonics of the modulated radiation, and the process of generating microwave radiation under the condition of synchronism for all waves interacting in a quartz crystal will be repeated. Thus, microwave radiation with a frequency equal to the modulation frequency, periodically reflected from the cavity walls, will pass through the quartz crystal repeatedly, amplifying each time. As a result, the energy of microwave radiation generated in the quartz crystal (4) will accumulate in the high-Q cavity (5) for a long time.

Обозначим добротность резонатора (5) через Q, а амплитуду генерируемого в кристалле кварца СВЧ излучения с частотой, равной частоте модуляции за один проход - через U0. Очевидно, что амплитуда UΣ СВЧ поля, накопленного за Q проходов в резонаторе, определяется:
UΣ= Q•Uo (3)
Чем выше добротность резонатора (5), тем эффективнее протекает данное преобразование энергии, и тем больше величина КПД данного преобразования.
Denote the Q factor of the resonator (5) by Q, and the amplitude of the microwave radiation generated in the quartz crystal with a frequency equal to the modulation frequency in one pass is through U 0 . Obviously, the amplitude U Σ of the microwave field accumulated over Q passes in the resonator is determined by:
U Σ = Q • U o (3)
The higher the Q factor of the resonator (5), the more efficiently the given energy conversion proceeds, and the greater the efficiency value of this transformation.

Остановимся на требованиях к стабильности частоты модуляции в данном способе преобразования энергии. Очевидно, что время когерентности модулирующих колебаний должно превосходить время, в течение которого преобразованная энергия накапливается в резонаторе (5). Let us dwell on the requirements for the stability of the modulation frequency in this method of energy conversion. Obviously, the coherence time of modulating oscillations should exceed the time during which the converted energy accumulates in the resonator (5).

В результате для схемы преобразования энергии на фиг. 1 легко получить:

Figure 00000005
,
где ΔΩ - ширина полосы частоты модуляции,
Q - добротность резонатора
В качестве модуляторов, осуществляющих модуляцию по фазе (или частоте) исходного лазерного излучения (1) гармоническими колебаниями постоянной частоты СВЧ диапазона могут использоваться электрооптические модуляторы, работающие на эффекте Поккельса.As a result, for the energy conversion circuit of FIG. 1 easy to get:
Figure 00000005
,
where ΔΩ is the modulation frequency bandwidth,
Q - Q factor of the resonator
Electro-optical modulators operating on the Pockels effect can be used as modulators that modulate in phase (or frequency) the initial laser radiation (1) by harmonic oscillations of the constant frequency of the microwave range.

Данным модулятором может быть также зеркало, колеблющееся с постоянной частотой СВЧ диапазона. С этой целью зеркало либо непосредственно крепится на торец пьезопреобразователя, либо отражающее покрытие напыляется на торец пьезопреобразователя. При подаче электромагнитного сигнала с постоянной частотой СВЧ диапазона на пьезопреобразователь он начинает вибрировать с этой частотой вместе с зеркалом, либо с зеркальным покрытием за счет обратного пьезоэлектрического эффекта. Исходное лазерное излучение (1), отраженное от такого колеблющегося с постоянной частотой СВЧ диапазона зеркала, оказывается промодулированным вышеуказанным образом. This modulator can also be a mirror oscillating with a constant frequency of the microwave range. For this purpose, the mirror is either directly mounted on 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 of the microwave range is applied to the piezoelectric transducer, it begins to vibrate with this frequency together with the mirror, or with a mirror coating due to the inverse piezoelectric effect. The initial laser radiation (1) reflected from such a mirror oscillating at a constant frequency in the microwave range is modulated in the above manner.

Пример 2. То же, что и в примере 1, только для повышения эффективности данного преобразования энергии в качестве СВЧ резонатора (5) используют сверхпроводящий резонатор СВЧ диапазона (криоэлектронный сверхпроводящий резонатор). Данные резонаторы обладают очень высокой добротностью Q(Q > 109) в СВЧ диапазоне и, как показывают расчеты, в этом случае КПД рассматриваемого преобразования энергии может достигать величины 90% даже при относительно небольших мощностях (порядка одного ватта) исходного лазерного излучения непрерывного действия.Example 2. The same as in example 1, only to increase the efficiency of this energy conversion as a microwave resonator (5) use a superconducting microwave cavity (cryoelectronic superconducting resonator). These resonators have a very high Q factor Q (Q> 10 9 ) in the microwave range and, as calculations show, in this case the efficiency of the energy conversion under consideration can reach 90% even at relatively low powers (of the order of one watt) of the initial continuous-wave laser radiation.

Пример 3. То же, что и в примере 1, только в качестве исходного лазерного излучения используют лазерное излучение импульсного действия при условии, что время длительности импульса лазерного излучения существенно превосходит период модулирующих гармонических колебаний постоянной частоты СВЧ диапазона. Example 3. The same as in example 1, only as the initial laser radiation using pulsed laser radiation, provided that the duration of the laser pulse substantially exceeds the period of modulating harmonic oscillations of the constant frequency of the microwave range.

Пример 4. То же, что и в примере 1, только исходное лазерное излучение (1) модулируют по амплитуде колебаниями постоянной частоты СВЧ диапазона прямоугольной формы (т.е. осуществляют амплитудную модуляцию периодическими негармоническими колебаниями постоянной частоты). Example 4. The same as in example 1, only the initial laser radiation (1) is modulated in amplitude by oscillations of a constant frequency of the microwave range of a rectangular shape (ie, amplitude modulation is carried out by periodic non-harmonic oscillations of a constant frequency).

Пример 5. То же, что и в примере 1, только преобразованную и накопленную в резонаторе (5) энергию СВЧ диапазона выводят из резонатора, и с помощью излучающей (передающей) антенны передают СВЧ энергию через свободное пространство. Example 5. The same as in example 1, only the microwave energy converted and stored in the resonator (5) is removed from the resonator, and microwave energy is transmitted through the free space using a radiating (transmitting) antenna.

Пример 6. То же, что и в примере 1, только для преобразования в энергию низкочастотных электромагнитных колебаний промышленной или сколь угодно малой частоты (т. е. для преобразования в энергию переменного тока промышленной частоты или в энергию постоянного тока) преобразованную и накопленную в резонаторе (5) энергию СВЧ диапазона выводят из резонатора и с помощью СВЧ выпрямителя осуществляют преобразование в энергию данных низкочастотных электромагнитных колебаний. Example 6. The same as in example 1, only for conversion into energy of low-frequency electromagnetic waves of industrial or arbitrarily low frequency (that is, to convert to energy of alternating current of industrial frequency or into direct current energy) converted and stored in the resonator (5) the microwave energy is removed from the resonator and, using a microwave rectifier, these low-frequency electromagnetic waves are converted into energy.

КПД преобразования современных СВЧ выпрямителей (вакуумных или полупроводниковых), являющихся преобразователями СВЧ энергии в энергию постоянного или переменного тока, достигает 80-90%. The conversion efficiency of modern microwave rectifiers (vacuum or semiconductor), which are converters of microwave energy into direct or alternating current energy, reaches 80-90%.

Результирующий КПД преобразования предлагаемым способом энергии лазерного излучения в энергию постоянного или переменного тока может достигать 70-80% при использовании сверхпроводящих резонаторов с большой добротностью (криоэлектронных сверхпроводящих резонаторов). The resulting conversion efficiency of the proposed method, the laser radiation energy into direct or alternating current energy can reach 70-80% when using superconducting resonators with high quality factor (cryoelectronic superconducting resonators).

Пример 7. То же, что и в примере 1, только в качестве исходного оптического излучения (1), подлежащего данному преобразованию, используют солнечное излучение. Example 7. The same as in example 1, only as the initial optical radiation (1) to be converted, use solar radiation.

В этом случае осуществляется преобразование энергии солнечного излучения в электромагнитную энергию СВЧ диапазона. In this case, the conversion of solar radiation energy into electromagnetic energy of the microwave range is carried out.

Расчеты показывают, что в данном примере, при использовании в качестве резонатора (5) сверхпроводящего резонатора (криоэлектронного сверхпроводящего резонатора) с высокой добротностью, КПД преобразования энергии солнечного излучения в электромагнитную энергию СВЧ диапазона может достигать 70%. Calculations show that in this example, when using a superconducting resonator (cryoelectronic superconducting resonator) as a resonator (5) with high Q factor, the efficiency of converting the energy of solar radiation into electromagnetic energy of the microwave range can reach 70%.

Пример 8. То же, что и примере 6, только в качестве исходного оптического излучения (1), подлежащего данному преобразованию, используют солнечное излучение. Example 8. The same as example 6, only as the initial optical radiation (1) to be converted, use solar radiation.

В данном случае осуществляется преобразование энергии солнечного излучения в энергию постоянного или переменного тока промышленной частоты. In this case, the energy of solar radiation is converted into energy of direct or alternating current of industrial frequency.

Расчеты показывают, что при использовании сверхпроводящих резонаторов КПД преобразования энергии в рассматриваемом примере может достигать 50- 60%. Calculations show that when superconducting resonators are used, the energy conversion efficiency in this example can reach 50-60%.

Пример 9. То же, что и в примере 7, только преобразование энергии солнечного излучения в электромагнитную энергию СВЧ диапазона производят на космическом объекте, размещенном на геосинхронной орбите, при этом преобразованную и накопленную в резонаторе (5) СВЧ энергию выводят из резонатора и с помощью передающей антенны энергию СВЧ излучения передают на Землю, где СВЧ излучение улавливается принимающей антенной. Далее с помощью СВЧ выпрямителей осуществляют окончательное преобразование в электрическую энергию постоянного или переменного тока промышленной частоты. Example 9. The same as in example 7, only the conversion of the energy of solar radiation into electromagnetic energy of the microwave range is performed on a space object placed in a geosynchronous orbit, while the converted and stored in the resonator (5) microwave energy is removed from the resonator and using The transmitting antenna transmits microwave energy to Earth, where the microwave radiation is captured by the receiving antenna. Next, using microwave rectifiers, the final conversion to electrical energy of direct or alternating current of industrial frequency is carried out.

В данном случае для передачи преобразованной СВЧ энергии на Землю с наименьшими потерями частоту модуляции солнечного излучения подбирают так, чтобы резонансная частота резонатора(5) (а значит и, совпадающая с резонансной частотой, частота преобразованного СВЧ излучения, передаваемого на Землю), равная частоте модуляции, находилась в частотном диапазоне прозрачности атмосферы. In this case, to transfer the converted microwave energy to the Earth with the least loss, the modulation frequency of solar radiation is selected so that the resonant frequency of the resonator (5) (and, therefore, coinciding with the resonant frequency, the frequency of the converted microwave radiation transmitted to the Earth) is equal to the modulation frequency , was in the frequency range of atmospheric transparency.

Следует отметить, что осуществление преобразования энергии солнечного излучения в энергию СВЧ излучения на космическом объекте, находящемся на геосинхронной орбите, позволит обеспечить непрерывную передачу преобразованной СВЧ энергии на Землю, поскольку данный космический объект непрерывно или почти непрерывно освещен Солнцем. Кроме того, плотность солнечного излучения в космосе больше, чем на Земле. It should be noted that the implementation of the conversion of solar radiation energy into microwave energy on a space object located in a geosynchronous orbit will ensure the continuous transfer of converted microwave energy to the Earth, since this space object is continuously or almost continuously illuminated by the Sun. In addition, the density of solar radiation in space is greater than on Earth.

Пример 10. То же, что и в примере 7, только при этом используют оптические системы (линзы, сферические зеркала и т. п. ) как для концентрации (фокусировки) исходного солнечного излучения, так и для придания пучку промодулированного солнечного излучения заранее заданной формы, в данном случае формы узкого параллельного пучка, при его распространении в кристалле кварца. Example 10. The same as in example 7, only in this case they use optical systems (lenses, spherical mirrors, etc.) both for concentration (focusing) of the initial solar radiation and for giving the beam of modulated solar radiation a predetermined shape , in this case, the shape of a narrow parallel beam, when it propagates in a quartz crystal.

Использование оптических систем позволяет повысить эффективность данного преобразования энергии. The use of optical systems improves the efficiency of this energy conversion.

Пример 11. То же, что и в примере 7, только осуществляют преобразование предлагаемым способом энергии нескольких потоков солнечного излучения одновременно с помощью нескольких схем, аналогичных схеме на фиг.1, каждая из которых преобразует энергию одного из потоков солнечного излучения. Example 11. The same as in example 7, only they convert the proposed method the energy of several streams of solar radiation simultaneously using several circuits similar to the scheme in figure 1, each of which converts the energy of one of the streams of solar radiation.

При этом все каналы для передачи преобразованной СВЧ энергии от каждого из потоков солнечного излучения (в данном примере все коаксиальные кабели, по которым передают преобразованную и накопленную в резонаторах СВЧ энергию) коммутируют в один общий канал (общий коаксиальный кабель), по которому передают результирующую преобразованную СВЧ энергию от всех потоков солнечного излучения. Moreover, all channels for transmitting converted microwave energy from each of the solar radiation streams (in this example, all coaxial cables that transmit the converted and stored microwave energy in the resonators) are switched into one common channel (common coaxial cable), through which the resulting converted Microwave energy from all streams of solar radiation.

Далее результирующую преобразованную энергию от нескольких потоков солнечного излучения либо подают на излучающую СВЧ антенну, с целью дальнейшей беспроводной передачи преобразованной СВЧ энергии через свободное пространство, либо подают на СВЧ выпрямители для преобразования в электрическую энергию постоянного или переменного тока. Next, the resulting converted energy from several streams of solar radiation is either supplied to a radiating microwave antenna for the purpose of further wireless transmission of the converted microwave energy through free space, or fed to microwave rectifiers for conversion into electrical energy of direct or alternating current.

Осуществление одновременного преобразования энергии от нескольких потоков солнечного излучения с последующей коммутацией каналов передачи преобразованной СВЧ энергии от каждого из потоков в один общий канал для передачи результирующей преобразованной СВЧ энергии от всех потоков позволяет производить данное преобразование солнечной энергии в СВЧ энергию с большей площади, т. е. позволяет увеличить энергию солнечного излучения, подлежащую преобразованию. The simultaneous conversion of energy from several streams of solar radiation, followed by switching the transmission channels of the converted microwave energy from each of the streams into one common channel for transmitting the resulting converted microwave energy from all streams, allows this conversion of solar energy to microwave energy from a larger area, i.e. allows to increase the energy of solar radiation to be converted.

Пример 12. То же, что и в примере 1, только кристалл кварца размещается вне резонатора, при этом преобразованную электромагнитную энергию генерируемого в кристалле СВЧ излучения подводят к резонатору, в котором накапливают эту преобразованную энергию. Example 12. The same as in example 1, only a quartz crystal is placed outside the resonator, while the converted electromagnetic energy of the microwave radiation generated in the crystal is fed to the resonator in which this converted energy is stored.

На фиг. 2 показан кристалл кварца (4) размером L ≤ Lког (см. выражение (2) в примере 1), в котором при его облучении распространяется модулированное лазерное излучение (3). Генерируемое в кристалле СВЧ излучение с частотой, совпадающей с частотой модуляции, при помощи нанесенного на кристалл контакта (6) и коаксиального кабеля (7) (или волновода), отводится в СВЧ резонатор (5), настроенный только на частоту модуляции (т.е. резонансная частота резонатора совпадает с частотой модуляции).In FIG. Figure 2 shows a quartz crystal (4) of size L ≤ L coh (see expression (2) in Example 1), in which modulated laser radiation (3) propagates when it is irradiated. Microwave radiation generated in a crystal with a frequency that coincides with the modulation frequency, is applied to the chip (6) and a coaxial cable (7) (or waveguide) applied to the crystal, and is transferred to the microwave cavity (5), tuned only to the modulation frequency (i.e. resonant frequency of the resonator coincides with the modulation frequency).

Если обозначить амплитуду генерируемого в кристалле кварца СВЧ излучения через U0, то амплитуда UΣ вынужденных СВЧ колебаний, установившихся в резонаторе, будет в Q раз превышать амплитуду воздействующего сигнала, в данном случае амплитуду U0 генерируемого СВЧ излучения. Поэтому UΣ = QU0, где Q - добротность резонатора.If we denote the amplitude of the microwave radiation generated in the quartz crystal by U 0 , then the amplitude U Σ of the forced microwave oscillations established in the cavity will be Q times the amplitude of the acting signal, in this case, the amplitude U 0 of the generated microwave radiation. Therefore, U Σ = QU 0 , where Q is the Q factor of the resonator.

Пример 13. То же, что и в примере 12, только для предотвращения утечки накапливаемой преобразованной энергии из СВЧ резонатора (5) обратно в кристалл кварца (4), т.е. для развязки среды и резонатора, дополнительно используют ферритовые вентили, пропускающие генерируемое в кристалле СВЧ излучение только в одном направлении - от кристалла кварца (4) к резонатору (5). Example 13. The same as in example 12, only to prevent the accumulated converted energy from leaking from the microwave cavity (5) back to the quartz crystal (4), i.e. To isolate the medium and the resonator, ferrite gates are additionally used, which transmit the microwave radiation generated in the crystal in only one direction - from the quartz crystal (4) to the resonator (5).

Пример 14. То же, что и в примере 12, только вместо кристалла кварца (4), размером Lо ≤ Lког, используют протяженную квадратичную нелинейную среду, состоящую из набора кристаллов кварца, соприкасающихся между собой, размеры Lкр которых вдоль направления распространения модулированного лазерного излучения меньше либо равны длине когерентного взаимодействия Lког (Lкр ≤ Lког), при этом кристаллы кварца ориентированы друг относительно друга так, чтобы волны нелинейной поляризации (возникающие в кристаллах вследствие биений на разностной частоте, равной частоте модуляции гармоник распространяющегося модулированного лазерного излучения) каждый раз при прохождении в другой кристалл испытывали скачок фазы на π (180o).Example 14. The same as in example 12, only instead of a quartz crystal (4), size L о ≤ L coh , use an extended quadratic nonlinear medium consisting of a set of quartz crystals in contact with each other, the sizes of L cr of which along the direction of propagation modulated laser radiation is less than or equal to the coherent interaction length L coh (L cr ≤ L coh ), while the quartz crystals are oriented relative to each other so that the waves of nonlinear polarization (arising in the crystals due to beats on the difference part equal to the frequency of modulation of the harmonics of the propagating modulated laser radiation), each time passing through another crystal, a phase jump of π (180 ° ) was experienced.

Если такая квадратичная нелинейная среда состоит из m-кристаллов, причем размер каждого кристалла Lкр ≃ Lког, то общий размер среды Lо, на котором будет осуществляться условие синхронизма для всех взаимодействующих волн будет равен mLког, т.е. Lо = mLког > Lког.If such a quadratic nonlinear medium consists of m-crystals, and the size of each crystal is L cr к L coh , then the total medium size L о , on which the synchronism condition will be fulfilled for all interacting waves, will be equal to mL coh , i.e. L o = mL coh > L coh .

В результате для достижения тех же КПД, что и в примере 12, требуются резонаторы меньшей добротности. As a result, to achieve the same efficiency as in Example 12, lower-quality resonators are required.

Пример 15. То же, что и в примере 12, только вместо кристалла кварца (4) используют оптическое волокно из монокристаллического кварца (см.фиг.2), т. е. используют кристалл кварца с волоконной геометрией. Example 15. The same as in example 12, but instead of a quartz crystal (4), an optical fiber made of single-crystal quartz is used (see FIG. 2), i.e., a quartz crystal with fiber geometry is used.

В этом случае даже при достаточно низких уровнях мощности исходного лазерного излучения достигаются большие напряженности оптических полей за счет волоконной геометрии кристалла кварца, что повышает эффективность данного преобразования энергии. Кроме того, за счет данной геометрии кристалла появляется возможность управления дисперсией, т.е. возможность осуществления условия синхронизма для всех взаимодействующих волн в оптическом волокне из монокристалла кварца на расстоянии Lо > Lког.In this case, even at sufficiently low power levels of the initial laser radiation, high optical fields are achieved due to the fiber geometry of the quartz crystal, which increases the efficiency of this energy conversion. In addition, due to this crystal geometry, it becomes possible to control dispersion, i.e. the possibility of fulfilling the condition of synchronism for all interacting waves in an optical fiber from a quartz single crystal at a distance L o > L coh .

Пример 16. Преобразование энергии лазерного излучения в энергию СВЧ поля с частотой, совпадающей с удвоенной (кратной) частотой модуляции. Example 16. The conversion of laser radiation energy into microwave energy with a frequency that matches the doubled (multiple) modulation frequency.

То же, что и в примере 12, только резонансная частота резонатора (5) совпадает с удвоенной частотой модуляции, т.е. резонатор настроен на частоту кратную частоте модуляции, а именно, на удвоенную частоту модуляции. Кроме того, для осуществления условия синхронизма между гармониками модулированного излучения и генерируемой в кристалле кварца электромагнитной СВЧ волной с частотой, равной удвоенной частоте модуляции, размер кристалла кварца Lо выбирают меньшим, либо равным длине когерентного взаимодействия в рассматриваемом случае. В результате в резонаторе (5), настроенном на удвоенную частоту модуляции, будет происходить накопление генерируемых в кристалле СВЧ волн с частотой, равной удвоенной частоте модуляции.The same as in example 12, only the resonant frequency of the resonator (5) coincides with the doubled modulation frequency, i.e. the resonator is tuned to a frequency multiple of the modulation frequency, namely, twice the modulation frequency. In addition, to fulfill the condition of synchronism between the harmonics of the modulated radiation and the electromagnetic microwave wave generated in the quartz crystal with a frequency equal to twice the modulation frequency, the size of the quartz crystal L о is chosen to be less than or equal to the length of the coherent interaction in the case under consideration. As a result, in the resonator (5) tuned to a double modulation frequency, the microwave waves generated in the crystal will accumulate with a frequency equal to the double modulation frequency.

Длина когерентного взаимодействия в данном случае, зависящая от удвоенной частоты модуляции, в два раза меньше длины когерентного взаимодействия, определяемого выражением (2) в примере 1. The length of the coherent interaction in this case, depending on the doubled modulation frequency, is two times less than the length of the coherent interaction defined by expression (2) in Example 1.

Генерация СВЧ излучения (СВЧ волн) с частотой, равной удвоенной частоте модуляции в кристалле кварца, происходит за счет возникновения в кристалле волн нелинейной поляризации на разностной частоте, равной удвоенной частоте модуляции. Данные волны нелинейной поляризации, являющиеся источником генерируемого в кристалле СВЧ излучения с удвоенной частотой модуляции, возникают вследствие биений между гармониками модулированного излучения с частотами ωo и ωo-2Ω, ωo-2Ω и ωo-4Ω и т.д., где ωo - циклическая частота исходного лазерного излучения, Ω - циклическая частота модуляции.The generation of microwave radiation (microwave waves) with a frequency equal to twice the modulation frequency in a quartz crystal occurs due to the appearance of a nonlinear polarization in the crystal wave at a difference frequency equal to twice the modulation frequency. These non-linear polarization waves, which are the source of microwave radiation generated in the crystal with a double modulation frequency, 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, etc., where ω o is the cyclic frequency of the initial laser radiation, Ω is the cyclic modulation frequency.

В рассматриваемом примере эффективное преобразование в энергию СВЧ поля с удвоенной частотой модуляции происходит вследствие того, что в СВЧ резонаторе, настроенном на эту частоту, происходит накопление энергии генерируемого в кристалле кварца СВЧ излучения только с удвоенной частотой модуляции, при этом для эффективной генерации в кристалле данного СВЧ излучения необходимо осуществлять условие синхронизма для взаимодействующих гармоник модулированного излучения и генерируемого СВЧ излучения с удвоенной частотой модуляции. In the example under consideration, efficient conversion to microwave energy with a double modulation frequency occurs due to the fact that in a microwave resonator tuned to this frequency, energy is generated in the microwave radiation generated in a quartz crystal only with a double modulation frequency, while for this Microwave radiation, it is necessary to fulfill the condition of synchronism for the interacting harmonics of modulated radiation and the generated microwave radiation with a double modulation frequency.

Пример 17. То же, что и в примере 12, только в качестве нелинейной среды без центра инверсии используют кубичную нелинейную среду, помещенную в постоянное электрическое поле, а именно аммиак (молекулярный газ NH3), в присутствии постоянного электрического поля.Example 17. The same as in example 12, only as a nonlinear medium without an inversion center, a cubic nonlinear medium placed in a constant electric field, namely ammonia (molecular gas NH 3 ), in the presence of a constant electric field is used.

В этом случае к прозрачной стеклянной колбе, заполненной аммиаком, постоянное электрическое поле прикладывается с помощью электродов. In this case, to a transparent glass flask filled with ammonia, a constant electric field is applied using electrodes.

Пример 18. То же, что и в примере 17, только частоту модуляции подбирают равной или близкой собственной частоте перехода между уровнями аммиака, которая лежит в СВЧ диапазоне и равна ν = 23870 Мгц. Example 18. The same as in example 17, only the modulation frequency is chosen equal to or close to the natural frequency of the transition between the levels of ammonia, which lies in the microwave range and is equal to ν = 23870 MHz.

В этом случае за счет резонансного возрастания кубичной нелинейной восприимчивости данной среды эффективность преобразования энергии возрастает. In this case, due to the resonant increase in the cubic nonlinear susceptibility of a given medium, the energy conversion efficiency increases.

Пример 19. То же, что и в примере 18, только дополнительно стандартными методами создают инверсию населенностей между соответствующими уровнями аммиака (NH3) с собственной частотой перехода ν = 23870 Мгц, например с помощью электрического разряда или с помощью постоянного во времени, но неоднородного в пространстве электрического или магнитного поля.Example 19. The same as in example 18, only additionally using standard methods create a population inversion between the corresponding levels of ammonia (NH 3 ) with an eigenfrequency of the transition ν = 23870 MHz, for example, using an electric discharge or using a time-constant but nonuniform in the space of an electric or magnetic field.

В этом случае при распространении лазерного модулированного излучения генерируемое в данной нелинейной среде СВЧ излучение с частотой, равной частоте модуляции и совпадающей с данной частотой перехода, будет дополнительно усиливаться за счет наличия отрицательного поглощения, вызванного активностью среды на данной частоте (т.е. за счет наличия инверсии населенностей между данными уровнями). In this case, during the propagation of laser modulated radiation, the microwave radiation generated in a given nonlinear medium with a frequency equal to the modulation frequency and coinciding with this transition frequency will be further enhanced due to the presence of negative absorption caused by the activity of the medium at this frequency (i.e., due to the presence of population inversion between these levels).

Пример 20. То же, что и в примере 12, только для накопления преобразованной энергии используют несколько резонаторов с одной и той же резонансной частотой, равной частоте модуляции, объединенных в каскады через ферритовые вентили, пропускающие преобразованную и накапливаемую СВЧ энергию только в одном направлении от резонатора предыдущего каскада к резонатору последующего каскада. Для этого преобразованную энергию, накопленную в резонаторе (5) первого каскада, с помощью коаксиального кабеля или волновода подводят через ферритовый вентиль к следующему резонатору с той же резонансной частотой (резонатор второго каскада), в котором процесс накопления преобразованной энергии продолжится. Из резонатора второго каскада накопленная преобразованная СВЧ энергия можем подводиться к резонатору третьего каскада и т.д. Example 20. The same as in example 12, only for the accumulation of converted energy, several resonators with the same resonant frequency equal to the modulation frequency are used, cascaded through ferrite gates that transmit the converted and stored microwave energy in only one direction from resonator of the previous cascade to the resonator of the subsequent cascade. To do this, the converted energy stored in the resonator (5) of the first stage, using a coaxial cable or waveguide, is fed through a ferrite gate to the next resonator with the same resonant frequency (resonator of the second stage), in which the process of accumulation of the converted energy continues. From the resonator of the second stage, the accumulated converted microwave energy can be supplied to the resonator of the third stage, etc.

В данном случае ферритовые вентили используются для предотвращения влияния каждого последующего резонатора на предыдущий. In this case, ferrite valves are used to prevent the influence of each subsequent resonator on the previous one.

Пример 21. То же, что и в примере 12, только в качестве модулятора (2) используют электрооптический модулятор бегущей волны, с помощью которого модулируют исходное лазерное излучение по фазе гармоническими колебаниями постоянной частоты СВЧ диапазона. При этом одна часть кристалла кварца (4) за счет его электрооптических свойств является средой электрооптического модулятора бегущей волны, а за счет наличия нелинейных свойств в этом же кристалле кварца происходит генерация СВЧ излучения (СВЧ волн) с частотой, равной частоте модуляции, энергию которого подводят к резонатору (5) и накапливают в нем. Example 21. The same as in example 12, only as a modulator (2) use the electro-optical modulator of the traveling wave, with which modulate the initial laser radiation in phase by harmonic oscillations of the constant frequency of the microwave range. In this case, one part of the quartz crystal (4), due to its electro-optical properties, is the medium of the traveling wave electro-optical modulator, and due to the presence of nonlinear properties in the same quartz crystal, microwave radiation (microwave waves) is generated with a frequency equal to the modulation frequency, whose energy is supplied to the resonator (5) and accumulate in it.

В данном примере модуляцию оптического излучения и генерацию СВЧ излучения осуществляют в одной и той же нелинейной среде (кристалле кварца). In this example, the modulation of optical radiation and the generation of microwave radiation is carried out in the same nonlinear medium (quartz crystal).

Пример 22. То же, что и в примере 21, только накопление энергии генерируемых в кристалле СВЧ волн с частотой, равной частоте модуляции осуществляют с помощью кварцевого резонатора за счет пьезоэлектрических свойств кристалла кварца. Для этого, частоту модуляции подбирают так, чтобы частота генерируемых в кристалле кварца СВЧ волн, равная частоте модуляции, также совпадала с собственной частотой механических колебаний кристалла кварца. Example 22. The same as in example 21, only the energy storage of the microwave waves generated in the crystal with a frequency equal to the modulation frequency is carried out using a quartz resonator due to the piezoelectric properties of the quartz crystal. For this, the modulation frequency is selected so that the frequency of the microwave waves generated in the quartz crystal, equal to the modulation frequency, also coincides with the natural frequency of the mechanical vibrations of the quartz crystal.

В рассматриваемом случае все этапы данного способа преобразования энергии (модуляцию оптического излучения, генерацию волн СВЧ диапазона и накопление преобразованной СВЧ энергии) производят в одной и той же среде (в данном примере в кристаллическом кварце) за счет наличия электрооптических, нелинейных и пьезоэлектрических свойств у этой среды. In this case, all the steps of this method of energy conversion (modulation of optical radiation, generation of microwave waves and the accumulation of converted microwave energy) are carried out in the same medium (in this example, in crystalline quartz) due to the presence of electro-optical, non-linear and piezoelectric properties in this Wednesday.

Пример 23. То же, что и в примере 12, только, для снижения потерь, возникающих при отводе из кристалла кварца генерируемого СВЧ излучения и подводе его к резонатору, используют СВЧ резонатор с емкостным зазором, в котором размещают данный кристалл кварца, облучаемый лазерным излучением. Example 23. The same as in example 12, only to reduce losses arising from the removal of the generated microwave radiation from the quartz crystal and its supply to the resonator, a microwave cavity with a capacitive gap is used in which this quartz crystal is irradiated with laser radiation. .

На фиг. 3 кристалл кварца (4) размером Lо ≤ Lког, в котором распространяется модулированное лазерное излучение (3), помещен в емкостной зазор тороидального резонатора (5) с резонансной частотой, совпадающей с частотой модуляции, лежащей в СВЧ диапазоне.In FIG. 3, a quartz crystal (4) of size L о ≤ L coh , in which modulated laser radiation propagates (3), is placed in the capacitive gap of the toroidal resonator (5) with a resonant frequency that coincides with the modulation frequency lying in the microwave range.

Пример 24. Преобразование энергии исходного лазерного излучения в электромагнитную энергию низкочастотной части радиодиапазона. Example 24. The conversion of the energy of the original laser radiation into electromagnetic energy of the low-frequency part of the radio range.

То же, что и в примере 23, только для преобразования в электромагнитную энергию низкочастотной части радиодиапазона в качестве резонатора (5) используют колебательный контур, между обкладками конденсатора которого размещают кристалл кварца (4) размером Lо ≤ Lког. При этом резонансная частота колебательного контура, совпадает с частотой модуляции, которая находится в низкочастотной части радиодиапазона.The same as in example 23, only for converting the low-frequency part of the radio range into electromagnetic energy as a resonator (5), an oscillatory circuit is used, between which a quartz crystal (4) of size L о ≤ L coh is placed. In this case, the resonant frequency of the oscillatory circuit coincides with the modulation frequency, which is located in the low-frequency part of the radio range.

Пример 25. Осуществление усиления электромагнитных СВЧ сигналов с использованием предлагаемого способа преобразования энергии. Example 25. The implementation of the amplification of electromagnetic microwave signals using the proposed method of energy conversion.

То же, что и в примере 23, только для усиления СВЧ сигнала, формируемого от независимого СВЧ генератора и представляющего собой электромагнитные СВЧ колебания, этими усиливаемыми СВЧ колебаниями осуществляют модуляцию исходного лазерного излучения (1) с помощью модулятора (2) вышеуказанным образом (см. фиг. 3), для чего усиливаемые СВЧ колебания подают на вход модулятора. При этом резонансная частота резонатора (5), накапливающего преобразованную СВЧ энергию, совпадает с частотой модуляции, т.е. с частотой усиливаемых исходных колебаний, которыми модулируют лазерное излучение. The same as in example 23, only to amplify the microwave signal generated from an independent microwave generator and representing electromagnetic microwave oscillations, these amplified microwave oscillations modulate the initial laser radiation (1) using a modulator (2) in the above manner (see Fig. 3), for which amplified microwave oscillations are fed to the input of the modulator. In this case, the resonant frequency of the resonator (5), which accumulates the converted microwave energy, coincides with the modulation frequency, i.e. with the frequency of amplified initial vibrations that modulate laser radiation.

При выводе преобразованной и накопленной энергии из резонатора получают высокочастотные колебания более мощные, чем исходные и с той же частотой. Происходит усиление исходных СВЧ колебаний, которыми модулируют лазерное излучение. When the converted and stored energy is removed from the resonator, high-frequency oscillations are obtained that are more powerful than the original ones and with the same frequency. The amplification of the initial microwave oscillations that modulate the laser radiation occurs.

Усиление происходит за счет преобразования энергии лазерного излучения в энергию СВЧ колебаний данной частоты. Amplification occurs by converting the energy of laser radiation into the energy of microwave oscillations of a given frequency.

Пример 26. Осуществление генерации электромагнитных СВЧ сигналов. То же, что и в примере 25, только для самовозбуждения, т.е. для генерации электромагнитных СВЧ колебаний, с помощью цепи обратной связи осуществляют положительную обратную связь между резонатором (5), в котором происходит накопление преобразованной энергии (выходом схемы усиления) и входом модулятора (2) (входом схемы усиления). Example 26. The implementation of the generation of electromagnetic microwave signals. The same as in example 25, only for self-excitation, i.e. To generate electromagnetic microwave oscillations, using the feedback circuit, a positive feedback is generated between the resonator (5), in which the converted energy is accumulated (by the output of the amplification circuit) and the input of the modulator (2) (by the input of the amplification circuit).

Как известно, под обратной связью понимают передачу сигналов с выхода схемы на ее вход, при этом при осуществлении положительной обратной связи происходит генерация. As you know, feedback refers to the transmission of signals from the output of the circuit to its input, while generation occurs during the implementation of positive feedback.

В данном примере для осуществления положительной обратной связи часть преобразованной и накопленной в резонаторе (5) энергии с помощью цепи обратной связи передают на вход модулятора для модуляции исходного оптического излучения. In this example, to provide positive feedback, part of the energy converted and stored in the resonator (5) is transmitted to the input of the modulator by the feedback circuit to modulate the initial optical radiation.

Пример 27. Осуществление умножения частот СВЧ сигналов. Example 27. The implementation of the multiplication of frequencies of microwave signals.

То же, что и в примере 25, только для умножения частот, т.е. для увеличения в целое число раз частоты СВЧ колебаний, резонансную частоту резонатора (5) подбирают кратной частоте модуляции, т.е. Ωрез= nΩ , где n - целое число, характеризующее кратность.Same as in example 25, only for frequency multiplication, i.e. to increase the frequency of microwave oscillations by an integer number of times, the resonant frequency of the resonator (5) is selected to be a multiple of the modulation frequency, i.e. Res Ω = nΩ, where n - an integer characterizing the multiplicity.

В этом случае происходит преобразование энергии лазерного излучения в энергию СВЧ поля с частотой кратной частоте модуляции. In this case, the laser energy is converted into microwave energy with a frequency multiple of the modulation frequency.

Эффективное преобразование в энергию СВЧ поля с частотой, кратной частоте модуляции, происходит вследствие того, что в СВЧ резонаторе, настроенном на эту частоту, происходит накопление энергии генерируемого в кристалле кварца СВЧ поля только с частотой, кратной частоте модуляции, при этом для эффективной генерации в кристалле данного СВЧ поля осуществляется условие синхронизма для взаимодействующих гармоник модулированного излучения и генерируемого СВЧ поля с частотой, кратной частоте модуляции. An effective conversion to microwave energy with a frequency that is a multiple of the modulation frequency occurs due to the fact that in the microwave cavity tuned to this frequency, energy is generated in the microwave field generated in a quartz crystal only with a frequency that is a multiple of the modulation frequency, while for efficient generation in a crystal of a given microwave field satisfies the condition of synchronism for the interacting harmonics of the modulated radiation and the generated microwave field with a frequency multiple of the modulation frequency.

Так же как и в примере 25, с целью осуществления условия синхронизма, размер кристалла кварца Lо выбирают меньшим, либо равным длине когерентного взаимодействия Lког (Lо ≤ Lког). Однако в рассматриваемом случае длина когерентного взаимодействия зависит от данной частоты, кратной частоте модуляции, и в n-раз меньше длины когерентного взаимодействия, определяемого выражением (2) в примере 1.As in example 25, in order to fulfill the condition of synchronism, the size of the quartz crystal L о is chosen smaller or equal to the length of the coherent interaction L coh (L o ≤ L coh ). However, in the case under consideration, the length of the coherent interaction depends on a given frequency, a multiple of the modulation frequency, and is n-times less than the length of the coherent interaction defined by expression (2) in Example 1.

В результате при выводе преобразованной и накопленной СВЧ энергии из резонатора получают электромагнитные СВЧ колебания с частотой, в целое число раз превышающей частоту исходных электромагнитных СВЧ колебаний, которыми модулируют лазерное излучение, т.е. осуществляют умножение частот. As a result, when the converted and stored microwave energy is output from the resonator, electromagnetic microwave oscillations are obtained with a frequency an integer number of times higher than the frequency of the original electromagnetic microwave oscillations that modulate laser radiation, i.e. multiply frequencies.

Пример 28. Осуществление преобразования энергии лазерного излучения в электромагнитную энергию СВЧ диапазона с помощью нескольких участков нелинейной среды без центра инверсии с соответствующими этим участкам резонаторами. Example 28. Implementation of the conversion of laser radiation energy into electromagnetic energy of the microwave range using several sections of a nonlinear medium without an inversion center with resonators corresponding to these sections.

Для осуществления данного преобразования используют последовательное расположение по ходу распространения промодулированного лазерного излучения нескольких участков нелинейной среды без центра инверсии с соответствующими этим участкам резонаторами, накапливающими преобразованную на каждом из участков этой среды энергию. To carry out this conversion, a sequential arrangement of several sections of a nonlinear medium without an inversion center with resonators corresponding to these sections of resonators accumulating the energy converted in each of the sections of this medium is used in the course of propagation of the modulated laser radiation.

На фиг.4 несколько кристаллов кварца (4),(4') с соответствующими резонаторами (5),(5') расположены последовательно по ходу распространения модулированного лазерного излучения. In Fig. 4, several quartz crystals (4), (4 ') with corresponding resonators (5), (5') are arranged sequentially along the propagation of the modulated laser radiation.

В данном случае в качестве СВЧ резонаторов используют объемные тороидальные резонаторы с одинаковыми резонансными частотами, совпадающими с частотой модуляции СВЧ диапазона. Размеры Lо кристаллов кварца (4), (4') вдоль распространения модулированного лазерного, излучения одинаковы и подобраны исходя из осуществления условия синхронизма для взаимодействующих в кристаллах гармоник модулированного лазерного излучения и генерируемого СВЧ излучения с частотой модуляции. На фиг.4, Lо ≤ Lког, где Lког определяется из выражения (2) в примере 1.In this case, volumetric toroidal resonators with the same resonant frequencies that coincide with the modulation frequency of the microwave range are used as microwave resonators. The sizes L о of quartz crystals (4), (4 ') along the propagation of the modulated laser radiation are the same and are selected based on the fulfillment of the synchronism condition for harmonics interacting in the crystals of the modulated laser radiation and the generated microwave radiation with a modulation frequency. In figure 4, L o ≤ L coh , where L coh is determined from the expression (2) in example 1.

Модулированное лазерное излучение (3) проходит через кристалл кварца (4), размещенный в емкостном зазоре тороидального резонатора (5), в результате чего происходит преобразование части промодулированного лазерного излучения в СВЧ энергию с последующим ее накоплением. Modulated laser radiation (3) passes through a quartz crystal (4) located in the capacitive gap of the toroidal resonator (5), as a result of which a part of the modulated laser radiation is converted to microwave energy with its subsequent accumulation.

Оставшаяся непреобразованная часть энергии промодулированного лазерного излучения испытывает дальнейшее преобразование в СВЧ энергию на следующем кристалле кварца (4'), расположенном в емкостном зазоре резонатора (5'), в котором происходит накопление преобразованной энергии, и т.д. The remaining non-converted part of the energy of the modulated laser radiation undergoes further conversion to microwave energy on the next quartz crystal (4 ') located in the capacitive gap of the resonator (5'), in which the converted energy is accumulated, etc.

Очевидно, что применение нескольких участков нелинейных сред без центра инверсии с соответствующими этим участкам резонаторами при тех же значениях КПД, что и в примере 23, позволяет снизить требования к величине добротности резонаторов, либо повысить эффективность данного преобразования энергии при тех же значениях добротности. Obviously, the use of several sections of nonlinear media without an inversion center with resonators corresponding to these sections at the same efficiency values as in Example 23 allows us to reduce the requirements for the Q factor of the resonators, or to increase the efficiency of this energy conversion at the same Q factors.

Пример 29. Осуществление преобразования энергии лазерного излучения в СВЧ энергию с использованием многократного прохождения модулированного лазерного излучения по замкнутому контуру. Example 29. The implementation of the conversion of laser radiation energy into microwave energy using multiple passage of modulated laser radiation in a closed loop.

Высокие значения КПД предлагаемого преобразования энергии при невысоких значениях добротностей резонаторов можно также добиться, используя многократное прохождение модулированного оптического излучения по замкнутому контуру через один и тот же участок нелинейной среды без центра инверсии, а накопление преобразованной энергии при этом производить в соответствующем этому участку резонаторе вышеуказанным образом. High values of the efficiency of the proposed energy conversion at low values of the Q factors of the resonators can also be achieved using multiple passage of the modulated optical radiation along a closed loop through the same section of a nonlinear medium without an inversion center, and the accumulated converted energy will be produced in the corresponding resonator section in the above manner .

На фиг. 5 кристалл кварца (4), размером Lо ≤ Lког (см.выражение (2) в примере (1)), расположенный в емкостном зазоре соответствующего тороидального СВЧ резонатора (5), одновременно находится в оптическом кольцевом резонаторе, состоящем из зеркал (9), (10), (11) и полупрозрачного зеркала (8).In FIG. 5 quartz crystal (4), of size L ≤ L coh (sm.vyrazhenie (2) in Example (1)) to the capacitive gap corresponding toroidal microwave resonator (5), both located in the optical ring resonator composed of mirrors ( 9), (10), (11) and a translucent mirror (8).

В данном случае с помощью полупрозрачного зеркала (8) и зеркал (9), (10), (11) оптического кольцевого резонатора обеспечивается многократное прохождение модулированного лазерного излучения через данный кристалл (4) с соответствующим СВЧ резонатором (5), резонансная частота которого равна частоте модуляции, при этом энергия генерируемого в кристалле кварца на каждом проходе СВЧ излучения накапливается в тороидальном резонаторе (5), что и приводит к повышению КПД данного преобразования по сравнению с однократным прохождением. In this case, using a translucent mirror (8) and mirrors (9), (10), (11) an optical ring resonator, multiple modulated laser radiation is transmitted through this crystal (4) with the corresponding microwave resonator (5), whose resonant frequency is modulation frequency, and the energy of the quartz generated in the crystal at each pass of the microwave radiation is accumulated in the toroidal resonator (5), which leads to an increase in the efficiency of this transformation compared to a single passage.

Пример 30. То же, что и в примере 29, только для многократного прохождения модулированного лазерного излучения по замкнутому контуру используют оптический резонатор Фабри-Перо, между двумя зеркалами которого помещают кристалл кварца, размером Lо ≤ Lког, с соответствующим ему тороидальным СВЧ резонатором, резонансная частота которого равна частоте модуляции.Example 30. The same as in example 29, only for multiple passage of the modulated laser radiation in a closed loop, a Fabry-Perot optical resonator is used, between two mirrors of which a quartz crystal of size L o ≤ L coh with a corresponding toroidal microwave resonator is placed whose resonant frequency is equal to the modulation frequency.

В этом случае с помощью двух плоских зеркал открытого оптического резонатора (резонатора Фабри-Перо) осуществляют многократное прохождение модулированного лазерного излучения через данный кристалл кварца, расположенный в емкостном зазоре тороидального СВЧ резонатора, при этом, на каждом проходе преобразованнная СВЧ энергия будет накапливаться в данном СВЧ резонаторе. In this case, using two flat mirrors of an open optical resonator (Fabry-Perot resonator), the modulated laser radiation is repeatedly transmitted through a given quartz crystal located in the capacitive gap of the toroidal microwave resonator, while at each pass the converted microwave energy will accumulate in this microwave resonator.

Claims (31)

1. Способ преобразования энергии оптического излучения с произвольной шириной спектра в энергию электромагнитных колебаний или волн радио- или более низкочастотного диапазона, включающий облучение оптическим излучением среды, в которой происходит преобразование энергии оптического излучения, отличающийся тем, что оптическое излучение модулируют во времени колебаниями постоянной частоты радио- или более низкочастотного диапазона таким образом, чтобы в частотном спектре модулированного оптического излучения каждой несущей частоте исходного немодулированного оптического излучения соответствовало множество частот, равноотстоящих друг от друга на частоту модуляции, в качестве среды используют нелинейную среду без центра инверсии, в которой происходит преобразование энергии промодулированного оптического излучения в виде генерации электромагнитных колебаний или волн радио- или более низкочастотного диапазона, и которая прозрачна как для частот оптического диапазона, так и для частот генерируемых в ней электромагнитных колебаний или волн радио- или более низкочастотного диапазона, преобразованную энергию генерируемых в данной нелинейной среде без центра инверсии электромагнитных колебаний или волн радио- или более низкочастотного диапазона накапливают с помощью одного или нескольких электромагнитных резонаторов, резонансная частота которых совпадает с частотой генерируемых электромагнитных колебаний или волн радио- или более низкочастотного диапазона и равна либо кратна частоте модуляции, при этом осуществляют условие синхронизма для взаимодействующих в данной нелинейной среде без центра инверсии гармоник модулированного оптического излучения и генерируемых электромагнитных колебаний или волн радио- или более низкочастотного диапазона, энергия которых накапливается с помощью одного или нескольких резонаторов. 1. A method of converting the energy of optical radiation with an arbitrary spectral width into the energy of electromagnetic waves or waves of the radio or lower frequency range, comprising irradiating with optical radiation a medium in which the energy of optical radiation is converted, characterized in that the optical radiation is modulated in time by oscillations of a constant frequency radio or lower frequency range so that in the frequency spectrum of the modulated optical radiation of each carrier frequency and similar unmodulated optical radiation corresponded to many frequencies equally spaced from each other by the modulation frequency, a nonlinear medium without an inversion center is used as the medium, in which the energy of the modulated optical radiation is converted in the form of electromagnetic waves or waves of the radio or lower frequency range, and which transparent both for the frequencies of the optical range, and for the frequencies of electromagnetic waves generated in it or waves of radio or lower frequency range, the converted energy generated in this nonlinear medium without a center of inversion of electromagnetic waves or waves of the radio or lower frequency range is accumulated using one or more electromagnetic resonators, the resonant frequency of which coincides with the frequency of the generated electromagnetic waves or waves of the radio or lower frequency range and equal to or a multiple of the modulation frequency, while the condition of synchronism for interacting in a given nonlinear medium without cent Inversion of harmonics of modulated optical radiation and generated electromagnetic waves or waves of the radio or lower frequency range, the energy of which is accumulated using one or more resonators. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют преобразование в энергию электромагнитных колебаний или волн СВЧ или более низкочастотного диапазона и передают преобразованную и накопленную энергию с помощью излучающей антенны через свободное пространство. 2. The method according to claim 1, characterized in that they convert the energy of electromagnetic waves or waves of the microwave or lower frequency range and transmit the converted and stored energy through the emitting antenna through the free space. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют преобразование в энергию электромагнитных колебаний или волн СВЧ или более низкочастотного диапазона, затем преобразованную и накопленную энергию СВЧ или более низкочастотного диапазона дополнительно с помощью выпрямителей преобразуют в энергию низкочастотных электромагнитных колебаний промышленной частоты или любой сколь угодно малой частоты. 3. The method according to claim 1, characterized in that the energy is converted into electromagnetic waves or waves of the microwave or lower frequency range, then the converted and stored energy of the microwave or lower frequency range is additionally converted using rectifiers to low-frequency electromagnetic energy of industrial frequency or any arbitrarily low frequency. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что модуляцию осуществляют по фазе или частоте гармоническими колебаниями. 4. The method according to claim 1, characterized in that the modulation is carried out in phase or frequency by harmonic oscillations. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве нелинейной среды без центра инверсии используют квадратичную нелинейную среду. 5. The method according to claim 1, characterized in that as a nonlinear medium without an inversion center, a quadratic nonlinear medium is used. 6. Способ по п.1 или 5, отличающийся тем, что в качестве нелинейной среды без центра инверсии используют кристаллический кварц. 6. The method according to claim 1 or 5, characterized in that crystalline quartz is used as a non-linear medium without an inversion center. 7. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве нелинейной среды без центра инверсии используют кубичную нелинейную среду, помещенную в постоянное электрическое поле. 7. The method according to claim 1, characterized in that as a non-linear medium without an inversion center, a cubic non-linear medium placed in a constant electric field is used. 8. Способ по п.1 или 7, отличающийся тем, что в качестве нелинейной среды без центра инверсии используют кубичную нелинейную среду, помещенную в постоянное электрическое поле, у которой одна из собственных частот перехода равна или близка, либо кратна частоте генерируемых в этой среде колебаний или волн, энергия которых накапливается с помощью резонаторов. 8. The method according to claim 1 or 7, characterized in that as a nonlinear medium without an inversion center, a cubic nonlinear medium placed in a constant electric field in which one of the natural transition frequencies is equal to or close to or a multiple of the frequency generated in this medium is used oscillations or waves whose energy is accumulated by resonators. 9. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве нелинейной среды без центра инверсии используют нелинейную среду без центра инверсии, дополнительно обладающую отрицательным поглощением на частоте генерируемых в этой среде колебаний или волн, энергия которых накапливается с помощью резонаторов. 9. The method according to claim 1, characterized in that as a non-linear medium without an inversion center, a non-linear medium without an inversion center is used, which additionally has negative absorption at the frequency of oscillations or waves generated in this medium, the energy of which is accumulated by means of resonators. 10. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве нелинейной среды без центра инверсии используют нелинейную среду без центра инверсии, размер которой вдоль направления распространения модулированного оптического излучения не превышает длину когерентного взаимодействия. 10. The method according to claim 1, characterized in that as a nonlinear medium without an inversion center, a nonlinear medium without an inversion center is used, the size of which along the propagation direction of the modulated optical radiation does not exceed the length of the coherent interaction. 11. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве нелинейной среды без центра инверсии используют набор нецентросимметричных кристаллов, соприкасающихся между собой, размер которых вдоль направления распространения модулированного оптического излучения не превосходит длину когерентного взаимодействия, при этом нецентросимметричные кристаллы ориентированы друг относительно друга так, чтобы волны нелинейной поляризации в кристаллах каждый раз при прохождении в другой кристалл испытывали скачок фазы на π.
12. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве нелинейной среды без центра инверсии используют нелинейную среду без центра инверсии с волоконной или волноводной геометрией.
11. The method according to claim 1, characterized in that as a non-linear medium without an inversion center, a set of non-centrosymmetric crystals in contact with each other, the size of which along the propagation direction of the modulated optical radiation does not exceed the length of the coherent interaction, is used, while the non-centrosymmetric crystals are oriented relative to each other so that non-linear polarization waves in crystals each time passing through another crystal experience a phase jump of π.
12. The method according to claim 1, characterized in that as a non-linear medium without an inversion center, a non-linear medium without an inversion center with fiber or waveguide geometry is used.
13. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве резонаторов используют один резонатор СВЧ-диапазона, а нелинейную среду без центра инверсии размещают внутри него. 13. The method according to claim 1, characterized in that as the resonators use one resonator of the microwave range, and a nonlinear medium without an inversion center is placed inside it. 14. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве резонаторов используют один резонатор СВЧ-диапазона, а нелинейную среду без центра инверсии размещают вне этого резонатора, при этом преобразованную энергию генерируемых в этой среде колебаний или волн подводят к резонатору. 14. The method according to claim 1, characterized in that one resonator of the microwave range is used as resonators, and a nonlinear medium without an inversion center is placed outside this resonator, while the converted energy of the oscillations or waves generated in this medium is supplied to the resonator. 15. Способ по п.1 или 14, отличающийся тем, что между нелинейной средой без центра инверсии и резонатором располагают развязывающее вентильное устройство. 15. The method according to claim 1 or 14, characterized in that between the nonlinear medium without an inversion center and a resonator an isolation valve device is arranged. 16. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве резонатора используют один СВЧ-резонатор с емкостным зазором, а нелинейную среду без центра инверсии размещают в этом зазоре. 16. The method according to claim 1, characterized in that one microwave resonator with a capacitive gap is used as the resonator, and a nonlinear medium without an inversion center is placed in this gap. 17. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве резонатора используют колебательный контур, при этом нелинейную среду без центра инверсии размещают между обкладками конденсатора данного колебательного контура. 17. The method according to claim 1, characterized in that the resonator uses an oscillatory circuit, while a nonlinear medium without an inversion center is placed between the capacitor plates of this oscillatory circuit. 18. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве резонатора используют сверхпроводящий резонатор. 18. The method according to claim 1, characterized in that a superconducting resonator is used as a resonator. 19. Способ по п.1, отличающийся тем, что накопление преобразованной энергии осуществляют путем последовательного расположения по ходу распространения промодулированного оптического излучения нескольких участков нелинейной среды без центра инверсии с соответствующими этим участкам резонаторами, накапливающими преобразованную на каждом из участков данной среды энергию. 19. The method according to claim 1, characterized in that the accumulation of the converted energy is carried out by sequentially arranging along the propagation of the modulated optical radiation several sections of a nonlinear medium without an inversion center with resonators corresponding to these sections, which accumulate the energy converted on each section of the given medium. 20. Способ по п.1, отличающийся тем, что накопление осуществляют путем многократного прохождения модулированного оптического излучения по замкнутому контуру через один и тот же участок нелинейной среды без центра инверсии с соответствующим резонатором, накапливающим энергию, преобразованную на этом участке среды. 20. The method according to claim 1, characterized in that the accumulation is carried out by repeatedly passing the modulated optical radiation in a closed loop through the same section of a nonlinear medium without an inversion center with a corresponding resonator that stores energy converted in this section of the medium. 21. Способ по п. 1, отличающийся тем, что накопление преобразованной энергии осуществляют с помощью нескольких резонаторов с одной и той же резонансной частотой, при этом резонаторы объединяют в каскады через вентильные элементы, пропускающие накапливаемую преобразованную энергию в одном направлении от резонатора предыдущего каскады к резонатору последующего каскада, причем нелинейную среду без центра инверсии располагают как внутри резонатора первого каскада, так и вне его. 21. The method according to p. 1, characterized in that the accumulation of the converted energy is carried out using several resonators with the same resonant frequency, while the resonators are combined into cascades through valve elements passing the accumulated converted energy in one direction from the resonator of the previous cascade to the cavity of the subsequent stage, and a nonlinear medium without an inversion center is located both inside the cavity of the first stage and outside it. 22. Способ по п.1, отличающийся тем, что модуляцию оптического излучения и преобразование энергии в виде генерации электромагнитных колебаний или волн осуществляют в одной и той же нелинейной среде без центра инверсии, обладающей электрооптическими свойствами. 22. The method according to claim 1, characterized in that the modulation of optical radiation and energy conversion in the form of the generation of electromagnetic waves or waves is carried out in the same nonlinear medium without an inversion center having electro-optical properties. 23. Способ по п.1, отличающийся тем, что преобразование энергии осуществляют в одной и той же нелинейной среде без центра инверсии, обладающей дополнительно электрооптическими и пьезоэлектрическими свойствами, при этом собственная частота упругих колебаний данной среды должна совпадать с частотой генерируемых в этой среде электромагнитных колебаний или волн, а в качестве резонатора используют пьезоэлектрический резонатор, частью которого и является данная среда. 23. The method according to claim 1, characterized in that the energy conversion is carried out in the same nonlinear medium without an inversion center, which additionally has electro-optical and piezoelectric properties, while the natural frequency of elastic vibrations of this medium must coincide with the frequency of electromagnetic waves generated in this medium oscillations or waves, and a piezoelectric resonator is used as a resonator, of which this medium is a part. 24. Способ по п.1, отличающийся тем, что модуляцию осуществляют высокочастотными электромагнитными колебаниями, подлежащими усилению, при этом резонансную частоту одного или нескольких резонаторов выбирают равной частоте модуляции. 24. The method according to claim 1, characterized in that the modulation is carried out by high-frequency electromagnetic waves to be amplified, while the resonant frequency of one or more resonators is chosen equal to the modulation frequency. 25. Способ по п.1 или 24, отличающийся тем, что осуществляют положительную обратную связь с помощью цепи обратной связи между преобразованными колебаниями, энергия которых накапливается в резонаторе, и модулирующими электромагнитными колебаниями. 25. The method according to claim 1 or 24, characterized in that they provide positive feedback using the feedback circuit between the converted oscillations, the energy of which is accumulated in the resonator, and modulating electromagnetic oscillations. 26. Способ по п. 1 или 24, отличающийся тем, что резонансную частоту одного или нескольких резонаторов выбирают кратной частоте модуляции. 26. The method according to p. 1 or 24, characterized in that the resonant frequency of one or more resonators is selected a multiple of the modulation frequency. 27. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве оптического излучения используют лазерное излучение непрерывного действия. 27. The method according to claim 1, characterized in that as the optical radiation using continuous laser radiation. 28. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве оптического излучения используют лазерное излучение импульсного действия при условии, что время длительности импульса существенно превосходит период модулирующих колебаний. 28. The method according to claim 1, characterized in that the laser radiation of the pulsed action is used as optical radiation, provided that the time duration of the pulse substantially exceeds the period of modulating oscillations. 29. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве оптического излучения используют излучение Солнца. 29. The method according to claim 1, characterized in that the radiation of the Sun is used as optical radiation. 30. Способ по п.29, отличающийся тем, что осуществляют преобразование энергии на космическом объекте с последующей передачей преобразованной энергии электромагнитных волн СВЧ-диапазона на Землю, при этом частоту модуляции солнечного излучения подбирают так, чтобы резонансная частота одного или нескольких резонаторов находилась в пределах частотного диапазона прозрачности атмосферы. 30. The method according to clause 29, characterized in that the energy is converted on a space object with subsequent transfer of the converted energy of microwave electromagnetic waves to the Earth, while the modulation frequency of solar radiation is selected so that the resonant frequency of one or more resonators is within frequency range of atmospheric transparency. 31. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют оптические системы для фокусировки оптического излучения и придания пучку промодулированного оптического излучения заранее заданной формы при его распространении в нелинейной среде без центра инверсии. 31. The method according to claim 1, characterized in that they use optical systems to focus the optical radiation and give the beam of modulated optical radiation a predetermined shape when it propagates in a nonlinear medium without an inversion center. 32. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют параллельное преобразование энергии нескольких потоков оптического излучения одновременно, при этом преобразованную и накопленную энергию от каждого потока оптического излучения направляют в один общий канал для передачи результирующей преобразованной энергии от всех потоков оптического излучения. 32. The method according to claim 1, characterized in that the parallel conversion of energy of several streams of optical radiation is carried out simultaneously, while the converted and accumulated energy from each stream of optical radiation is sent to one common channel for transmitting the resulting converted energy from all streams of optical radiation.
RU96113413A 1996-07-18 1996-07-18 Method for conversion of optical light with arbitrary spectral width into power of electromagnetic waves in radio or lower bandwidth RU2105387C1 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU96113413A RU2105387C1 (en) 1996-07-18 1996-07-18 Method for conversion of optical light with arbitrary spectral width into power of electromagnetic waves in radio or lower bandwidth
PCT/RU1997/000207 WO1997049001A1 (en) 1996-07-18 1997-07-03 Method for converting the energy of optical radiation with an arbitrary spectrum width into electromagnetic oscillation or radio wave energy

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU96113413A RU2105387C1 (en) 1996-07-18 1996-07-18 Method for conversion of optical light with arbitrary spectral width into power of electromagnetic waves in radio or lower bandwidth

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2105387C1 true RU2105387C1 (en) 1998-02-20
RU96113413A RU96113413A (en) 1998-04-20

Family

ID=20182741

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU96113413A RU2105387C1 (en) 1996-07-18 1996-07-18 Method for conversion of optical light with arbitrary spectral width into power of electromagnetic waves in radio or lower bandwidth

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2105387C1 (en)
WO (1) WO1997049001A1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2622844C1 (en) * 2016-02-18 2017-06-20 Дмитрий Семенович Стребков Resonant parametric oscillator and method of electrical excitation of oscillations in parametric resonance generator
RU2655737C1 (en) * 2017-05-22 2018-05-29 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Калмыцкий государственный университет имени Б.Б. Городовикова" Light controlled electric oscillations generator on the cadmium sulfide homogeneous crystals
RU2800338C1 (en) * 2022-11-30 2023-07-20 Леонид Петрович Гаврилов Photoelectric energy converter of high-power laser radiation into ac energy

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4410239A (en) * 1981-04-17 1983-10-18 Bell Telephone Laboratories, Incorporated Nonlinear optical device using self-trapping of light
US4415759A (en) * 1981-10-13 1983-11-15 Vought Corporation Solar power satellite
US4510402A (en) * 1982-06-10 1985-04-09 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Optical harmonic generator
US4717842A (en) * 1986-01-23 1988-01-05 Northrop Corporation Mode-matched laser/raman coupled unstabled resonators
US4728878A (en) * 1986-05-08 1988-03-01 John Anthony Solar energy electric generating system

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
1. Бринкворт Б.Дж. Солнечная энергия для человека. - М.: Мир, 1976, с. 212 - 215. 2. Росс М. Лазерные приемники. - М.: Мир, 1969, с. 128 - 131. 3. Тельдши Ю. и др. Мир ищет энергию. - М.: Мир, 1981, с. 224 - 234. *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2622844C1 (en) * 2016-02-18 2017-06-20 Дмитрий Семенович Стребков Resonant parametric oscillator and method of electrical excitation of oscillations in parametric resonance generator
RU2655737C1 (en) * 2017-05-22 2018-05-29 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Калмыцкий государственный университет имени Б.Б. Городовикова" Light controlled electric oscillations generator on the cadmium sulfide homogeneous crystals
RU2800338C1 (en) * 2022-11-30 2023-07-20 Леонид Петрович Гаврилов Photoelectric energy converter of high-power laser radiation into ac energy

Also Published As

Publication number Publication date
WO1997049001A1 (en) 1997-12-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5640405A (en) Multi quasi phase matched interactions in a non-linear crystal
Matsko et al. Whispering gallery mode based optoelectronic microwave oscillator
US7272158B1 (en) Highly efficient waveguide pulsed THz electromagnetic radiation source and group-matched waveguide THz electromagnetic radiation source
US6806986B2 (en) Wavelength converter and wavelength converting apparatus
US5832009A (en) Laser light emitting device, laser beacon device and laser imager display device
Ginzburg et al. Nonlinear cyclotron resonance absorber for a microwave subnanosecond pulse generator powered by a helical-waveguide gyrotron traveling-wave tube
Kürz et al. Bright squeezed light by second-harmonic generation in a monolithic resonator
Kawanishi et al. Reciprocating optical modulation for harmonic generation
RU2105387C1 (en) Method for conversion of optical light with arbitrary spectral width into power of electromagnetic waves in radio or lower bandwidth
US7330300B1 (en) Optical frequency mixer and method for the same
Suhara et al. Quantum theory analysis of counterpropagating twin photon generation by parametric downconversion
JP2002006275A (en) Light frequency converter by multiple modulation
Ngo et al. Microwave Signal Generation Device Using Difference Frequency Generation in a LiTaO $ _ {3} $ Rectangular Waveguide
WO2004107033A1 (en) Frequency comb generator
US3405370A (en) Internal optical modulator
White et al. Theory of second-harmonic generation with high-conversion efficiency
US7212331B2 (en) Reciprocating optical modulator
Fujimura et al. Resonant waveguide quasi-phase-matched SHG devices with electrooptic phase-modulator for tuning
CN112803239A (en) Microwave frequency comb generating device based on double-light injection semiconductor laser
Mutter et al. Degenerate backward wave optical parametric oscillator
RU2101745C1 (en) Method for converting electromagnetic radiation energy of optical or lower-frequency range into wave excitation energy of nonlinear media
Song et al. Octave-spanning Kerr soliton microcombs on thin-film lithium niobate
RU2062538C1 (en) Method for parametric generation of periodic oscillations
Song et al. Electro-optically Modulated Kerr Solitons on Thin-film Lithium Niobate
Grund et al. A widely tunable narrow linewidth RF source integrated in a heterogeneous photonic module

Legal Events

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

Effective date: 20150719