RU2406188C1 - Device for directed transmission of microwaves - Google Patents

Device for directed transmission of microwaves Download PDF

Info

Publication number
RU2406188C1
RU2406188C1 RU2009134283/28A RU2009134283A RU2406188C1 RU 2406188 C1 RU2406188 C1 RU 2406188C1 RU 2009134283/28 A RU2009134283/28 A RU 2009134283/28A RU 2009134283 A RU2009134283 A RU 2009134283A RU 2406188 C1 RU2406188 C1 RU 2406188C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
laser
laser beam
tubular
radiation
microwave
Prior art date
Application number
RU2009134283/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Дмитриевич Зворыкин (RU)
Владимир Дмитриевич Зворыкин
Алексей Олегович Левченко (RU)
Алексей Олегович Левченко
Игорь Валентинович Сметанин (RU)
Игорь Валентинович Сметанин
Николай Николаевич Устиновский (RU)
Николай Николаевич Устиновский
Original Assignee
ООО "Новые энергетические технологии"
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 ООО "Новые энергетические технологии" filed Critical ООО "Новые энергетические технологии"
Priority to RU2009134283/28A priority Critical patent/RU2406188C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2406188C1 publication Critical patent/RU2406188C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Lasers (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: device has a generator of ultra-short laser pulses, a system for forming a tubular laser beam, an adaptive mirror with a control unit and emitter of the transmitted microwaves. Said generator of ultra-short laser pulses also has a system for multiplying frequency of the generated laser radiation, a system for forming a pulse train of said laser radiation having multiplied frequency, excimer laser amplifiers and a system for entering the transmitted microwaves into space. The space is bounded by the wall of the tubular laser beam created during operation of the device, and said system for forming the tubular laser beam is in form of telescopes consisting of spherical or parabolic and conical optical elements. The adaptive mirror is mounted after the excimer laser amplifiers in front of the system for forming the tubular laser beam, and directly after the said system for forming the tubular laser beam there is beam splitter with a wave front detector connected to control unit of the said adaptive mirror.
EFFECT: high accuracy and intensity during radiation transmission, high selectivity towards localisation of receivers of transmitted radiation, and increased distance and time for possible transmission of radiation.
2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к технике сверхвысокочастотного (СВЧ) электромагнитного излучения (ЭМИ) и может быть применено в системах передачи информации и транспортировки импульсов ЭМИ, в особенности для обеспечения высокой точности при выборе направления указанных передачи и транспортировки и избирательности в отношении локализации приемников передаваемой информации и транспортируемых импульсов ЭМИ и увеличения их интенсивности на приемниках СВЧ сигнала.The invention relates to techniques for microwave radiation (EMF) and can be used in systems for transmitting information and transporting pulses of EMP, in particular to ensure high accuracy when choosing the direction of these transmission and transport and selectivity in relation to the location of receivers of transmitted information and transported pulses EMP and increasing their intensity at microwave receivers.

Известны устройства направленной транспортировки СВЧ ЭМИ [1], основанные на применении различных направленных антенн. Недостатками указанных устройств являются, как правило, недостаточно высокая точность при выборе направления указанных передачи и транспортировки, недостаточная избирательность в отношении локализации приемников передаваемой информации и транспортируемых импульсов ЭМИ и недостаточно высокая интенсивность передаваемого СВЧ излучения на приемниках СВЧ сигнала. Известно также устройство [2] направленной транспортировки СВЧ ЭМИ, содержащее титан-сапфировый генератор ультракоротких лазерных импульсов, систему формирования трубчатого лазерного пучка на основе адаптивного зеркала с блоком управления и излучатель передаваемого СВЧ ЭМИ, помещенный непосредственно на выходе указанной системы формирования. Недостатками указанного устройства являются недостаточно большое расстояние, на которое возможна транспортировка СВЧ сигналов, которое достигает всего десятков сантиметров, и недостаточно продолжительное время транспортировки, достигающее всего 10 нс.Known devices for the directional transportation of microwave EMP [1], based on the use of various directional antennas. The disadvantages of these devices are, as a rule, insufficiently high accuracy when choosing the direction of the indicated transmission and transportation, insufficient selectivity with respect to the localization of transmitting information receivers and transported electromagnetic radiation pulses, and insufficiently high intensity of transmitted microwave radiation at microwave signal receivers. It is also known a device [2] for the directional transportation of microwave EMP, containing a titanium-sapphire generator of ultrashort laser pulses, a system for generating a tubular laser beam based on an adaptive mirror with a control unit, and a transmitter for transmitting microwave EMP placed directly at the output of this forming system. The disadvantages of this device are the insufficiently large distance by which microwave signals can be transported, which reaches only tens of centimeters, and the insufficiently long transport time, which reaches only 10 ns.

Целью данного изобретения является устранение указанных недостатков и увеличение указанного расстояния и указанного времени.The aim of the present invention is to remedy these disadvantages and increase the specified distance and the specified time.

Указанная цель достигается в данном изобретении за счет того, что в известном устройстве направленной транспортировки СВЧ электромагнитного излучения, включающем генератор ультракоротких лазерных импульсов, систему формирования трубчатого лазерного пучка, адаптивное зеркало с блоком управления и излучатель передаваемого СВЧ электромагнитного излучения, указанный генератор лазерных импульсов дополнительно содержит систему умножения частоты генерируемого лазерного излучения, систему формирования цуга импульсов указанного лазерного излучения умноженной частоты, эксимерные лазерные усилители и систему ввода передаваемого СВЧ излучения внутрь пространства трубчатого лазерного пучка, для формирования которого предназначено предлагаемое устройство, а указанная система формирования трубчатого лазерного пучка представляет собой телескопы, состоящие из сферических или параболических и конических оптических элементов, и при этом адаптивное зеркало установлено после эксимерных лазерных усилителей перед системой формирования трубчатого лазерного пучка, а непосредственно после указанной системы формирования установлен делитель пучка с датчиком волнового фронта, соединенным с блоком управления указанным адаптивным зеркалом, и также за счет того, что указанный генератор представляет собой титан-сапфировый генератор ультракоротких лазерных импульсов, указанная система умножения частоты представляет собой утроитель частоты, указанная система формирования цуга представляет собой систему из двух плоских параллельных полупрозрачных зеркал, эксимерные усилители представляют собой криптон-фторовые лазерные усилители с накачкой электронным пучком, система формирования трубчатого лазерного пучка представляет собой телескопы из двух сферических и двух конических линз, а система ввода представляет собой трансформатор мод СВЧ излучения, рупорный СВЧ излучатель, расположенный вне внутреннего пространства трубчатого лазерного пучка, для формирования которого предназначено предлагаемое устройство и металлическое поворотное СВЧ зеркало, помещенное внутри указанного внутреннего пространства.This goal is achieved in this invention due to the fact that in the known device for the directional transportation of microwave electromagnetic radiation, including an ultrashort laser pulse generator, a tube laser beam forming system, an adaptive mirror with a control unit and a transmitter of transmitted microwave electromagnetic radiation, said laser pulse generator further comprises a system for multiplying the frequency of the generated laser radiation, a system for generating a train of pulses of said laser radiation of a multiplied frequency, excimer laser amplifiers and a system for introducing transmitted microwave radiation into the space of a tubular laser beam, the device of which the device is intended to be formed, and the specified system for forming a tubular laser beam is telescopes consisting of spherical or parabolic and conical optical elements, and This adaptive mirror is installed after the excimer laser amplifiers in front of the system for the formation of a tubular laser beam, and Just after this formation system, a beam divider is installed with a wavefront sensor connected to the control unit of the indicated adaptive mirror, and also because the generator is a titanium-sapphire generator of ultrashort laser pulses, the frequency multiplication system is a frequency tripler, indicated the train formation system is a system of two plane parallel translucent mirrors, excimer amplifiers are krypton-fluorine laser amplifiers pumped by an electron beam, the tube laser beam-forming system consists of telescopes from two spherical and two conical lenses, and the input system is a microwave radiation mode transformer, a horn microwave emitter located outside the inner space of the tube laser beam, for the formation of which it is intended the proposed device and a metal rotary microwave mirror placed inside the specified internal space.

На Фиг.1 изображена схема предлагаемого устройства, гдеFigure 1 shows a diagram of the proposed device, where

1 - генератор ультракоротких лазерных импульсов;1 - generator of ultrashort laser pulses;

2 - система умножения частоты;2 - frequency multiplication system;

3 - система формирования цуга ультракоротких лазерных импульсов;3 - a system for the formation of a train of ultrashort laser pulses;

4 - эксимерные лазерные усилители;4 - excimer laser amplifiers;

5 - адаптивное деформируемое зеркало с блоком управления;5 - adaptive deformable mirror with a control unit;

6 - система формирования трубчатого лазерного пучка;6 - a system for forming a tubular laser beam;

7 - сформированный трубчатый лазерный пучок;7 - formed tubular laser beam;

8 - делитель пучка и датчик волнового фронта;8 - beam splitter and wavefront sensor;

9 - генератор передаваемого СВЧ ЭМИ;9 - generator of transmitted microwave EMP;

10 - система ввода СВЧ ЭМИ в трубчатый лазерный пучок.10 is a system for introducing microwave EMP into a tubular laser beam.

На Фиг.2 изображена система 6 формирования трубчатого лазерного пучка, гдеFigure 2 shows a system 6 of the formation of a tubular laser beam, where

11 - лазерный пучок круглого сечения;11 - a laser beam of circular cross section;

12 - линзовый телескоп;12 - lens telescope;

13 - телескоп из двух аксиконов;13 - a telescope of two axicons;

7 - трубчатый лазерный пучок.7 - a tubular laser beam.

На Фиг.3 изображена система 10 ввода СВЧ ЭМИ в трубчатый лазерный пучок, гдеFigure 3 shows a system 10 for introducing microwave EMP into a tubular laser beam, where

9 - генератор передаваемого СВЧ ЭМИ;9 - generator of transmitted microwave EMP;

14 - трансформатор мод;14 - mod transformer;

15 - рупорный антенный СВЧ излучатель;15 - horn antenna microwave emitter;

16 - металлическое поворотное СВЧ зеркало;16 - metal rotary microwave mirror;

7 - трубчатый лазерный пучок;7 - a tubular laser beam;

17 - СВЧ излучение внутри плазменного волновода.17 - microwave radiation inside the plasma waveguide.

Предлагаемое устройство функционирует следующим образом. Указанный генератор 1 ультракоротких лазерных импульсов (Фиг.1), например титан-сапфировый, выдает последовательность лазерных импульсов с длительностью несколько десятков фс, с частотой повторения несколько Гц, с энергией в импульсе несколько мДж и с длиной волны около 744 нм. Далее указанная последовательность лазерных импульсов поступает в систему 2 умножения частоты (Фиг.1), например в утроитель частоты (генератор третьей гармоники), построенный на базе нелинейных кристаллов, который преобразует каждый импульс указанной последовательности в ультрафиолетовый (УФ) импульс с длиной волны около 248 нм. Переход от инфракрасных лазерных импульсов, генерируемых указанным генератором 1 ультракоротких лазерных импульсов, к УФ импульсам, получаемым с помощью системы 2 умножения частоты, позволяет более эффективно ионизировать воздух при создании трубчатого плазменного волновода за счет большей энергии УФ кванта и больших эффективных поперечных сечений процессов ионизации для квантов УФ диапазона. Далее указанные импульсы поступают в систему 3 формирования цуга ультракоротких лазерных импульсов (Фиг.1), которая представляет собой, например, оптический резонатор из двух параллельных полупрозрачных зеркал, с таким расстоянием между зеркалами, чтобы время двойного прохода лазерного импульса между ними было несколько нс. При каждом отражении от выходного зеркала часть энергии лазерного импульса выходит наружу резонатора, формируя, таким образом, цуг ультракоротких лазерных импульсов, следующих друг за другом через указанное время двойного прохода лазерного импульса, и интенсивность которых постепенно уменьшается от импульса к импульсу. Использование указанных цугов вместо одиночных ультракоротких лазерных импульсов позволяет увеличить продолжительность существования плазменного волновода и, следовательно, продолжительность транспортировки СВЧ излучения. Период следования импульсов выбирается меньшим, чем время жизни свободного электрона в воздухе, которое составляет порядка 5 нс [3]. Указанные цуги ультракоротких лазерных импульсов усиливаются в эксимерных лазерных усилителях 4 (Фиг.1), например в криптон-фторовых усилителях с электронно-пучковой накачкой, которые работают на длине волны 248 нм. Время восстановления инверсной населенности в таких усилителях 4 составляет около 2 нс, что позволяет усиливать указанные цуги ультракоротких лазерных импульсов до пиковых мощностей порядка десятков ТВт в каждом импульсе указанного цуга, что экспериментально показано авторами. Длительность накачки таких усилителей 4 определяется импульсным высоковольтным источником питания и составляет, как правило, сотни нс, что позволяет усиливать цуги ультракоротких лазерных импульсов соответствующих длительностей.The proposed device operates as follows. The specified generator 1 ultrashort laser pulses (Figure 1), for example titanium-sapphire, produces a sequence of laser pulses with a duration of several tens of fs, with a repetition frequency of several Hz, with an pulse energy of several mJ and with a wavelength of about 744 nm. Further, the indicated sequence of laser pulses enters the frequency multiplication system 2 (Fig. 1), for example, a frequency tripler (third harmonic generator) built on the basis of nonlinear crystals, which converts each pulse of the indicated sequence into an ultraviolet (UV) pulse with a wavelength of about 248 nm The transition from infrared laser pulses generated by the indicated generator 1 of ultrashort laser pulses to UV pulses obtained using frequency multiplication system 2 allows more efficient ionization of the air when creating a tubular plasma waveguide due to the higher energy of the UV quantum and large effective cross sections of ionization processes for UV quanta. Further, these pulses enter the system 3 of the formation of a train of ultrashort laser pulses (Fig. 1), which is, for example, an optical resonator of two parallel translucent mirrors, with such a distance between the mirrors that the double pass time of the laser pulse between them is several ns. At each reflection from the output mirror, part of the energy of the laser pulse goes outside the resonator, thus forming a train of ultrashort laser pulses that follow each other after the indicated double pass time of the laser pulse, and the intensity of which gradually decreases from pulse to pulse. The use of these trains instead of single ultrashort laser pulses makes it possible to increase the duration of the plasma waveguide and, consequently, the duration of the transportation of microwave radiation. The pulse repetition period is chosen shorter than the lifetime of a free electron in air, which is about 5 ns [3]. These ultrashort laser pulse trains are amplified in excimer laser amplifiers 4 (FIG. 1), for example, electron-beam pumped krypton-fluorine amplifiers that operate at a wavelength of 248 nm. The recovery time of the inverse population in such amplifiers 4 is about 2 ns, which makes it possible to amplify the indicated trains of ultrashort laser pulses to peak powers of the order of tens of TW in each pulse of the indicated train, which was experimentally shown by the authors. The pump duration of such amplifiers 4 is determined by a pulsed high-voltage power source and is, as a rule, hundreds of ns, which allows amplification of trains of ultrashort laser pulses of corresponding durations.

После эксимерных лазерных усилителей 4 установлено адаптивное деформируемое зеркало 5 (Фиг.1), которое служит для коррекции фазовых искажений пучка. Пройдя через эксимерные лазерные усилители 4 и отразившись от указанного адаптивного зеркала 5, цуг усиленных импульсов поступает в систему 6 формирования трубчатого лазерного пучка (Фиг.1), которая представляет собой, например, систему из линзового телескопа 12 (по меньшей мере двух сферических или параболических оптических элементов, например линз) и телескопа 13, состоящего из по меньшей мере двух аксиконов (конических оптических элементов, например линз) (Фиг.2). Линзовый телескоп 12 уменьшает радиус пучка, вышедшего из эксимерных усилителей до значения, соответствующего толщине стенки формируемого трубчатого пучка, а телескоп 13 из аксиконов формирует трубчатый лазерный пучок 7. При этом толщина стенки трубчатого лазерного пучка 7 определяется радиусом пучка, сформированного линзовым телескопом 12, его диаметр - расстоянием между аксиконами, а угол его расхождения - соотношением углов при вершинах аксиконов. При применении адаптивного зеркала 5 далее устанавливается делитель пучка 8, представляющий собой, например, прозрачную плоскопараллельную пластину, который отводит малую часть пучка на датчик волнового фронта, способный измерять фазовые искажения пучка. Электронный сигнал с датчика волнового фронта поступает в блок управления адаптивным зеркалом 5, в котором по нему рассчитывается деформация адаптивного зеркала, необходимая для коррекции измеренных фазовых искажений пучка, и посылается соответствующий сигнал на само адаптивное зеркало 5, которое деформируется соответствующим образом. Это позволяет к моменту прихода следующего цуга ультракоротких импульсов исправить аберрации оптических элементов, уменьшить присущую лазеру расходимость пучка и в результате получить трубчатый пучок, способный распространяться на большие расстояния, сохраняя форму своего сечения.After excimer laser amplifiers 4, an adaptive deformable mirror 5 is installed (Figure 1), which serves to correct the phase distortions of the beam. Having passed through excimer laser amplifiers 4 and reflected from the indicated adaptive mirror 5, the train of amplified pulses enters the system 6 for forming a tubular laser beam (Figure 1), which is, for example, a system from a lens telescope 12 (at least two spherical or parabolic optical elements, such as lenses) and a telescope 13, consisting of at least two axicons (conical optical elements, such as lenses) (Figure 2). The lens telescope 12 reduces the radius of the beam emerging from the excimer amplifiers to a value corresponding to the wall thickness of the formed tubular beam, and the telescope 13 of the axicons forms a tubular laser beam 7. The wall thickness of the tubular laser beam 7 is determined by the radius of the beam formed by the lens telescope 12, its the diameter is the distance between the axicons, and its divergence angle is the ratio of the angles at the axicon vertices. When using the adaptive mirror 5, a beam divider 8 is further installed, which is, for example, a transparent plane-parallel plate that diverts a small part of the beam to a wavefront sensor capable of measuring the phase distortions of the beam. An electronic signal from the wavefront sensor enters the adaptive mirror control unit 5, in which the deformation of the adaptive mirror necessary to correct the measured phase distortions of the beam is calculated from it, and the corresponding signal is sent to the adaptive mirror 5 itself, which is deformed accordingly. This makes it possible, by the time the next train of ultrashort pulses arrives, to correct the aberrations of the optical elements, to reduce the beam divergence inherent in the laser, and as a result to obtain a tubular beam that can propagate over long distances, preserving its cross-sectional shape.

Указанная схема формирования трубчатого лазерного пучка 7 была экспериментально апробирована авторами. Как показывают расчеты, пиковая мощность лазерного излучения в стенке такого трубчатого пучка 7 многократно превышает критическую [3], что приводит к филаментации лазерного излучения, т.е. пучок распадается на множество нитей-филамент, в которых, как показано в литературе и авторами, происходит эффективная двухквантовая ионизация воздуха. Расстояние между отдельными филаментами много меньше длины волны каналируемого СВЧ излучения [2], что позволяет рассматривать такую стенку как сплошной слой плазмы, обладающий усредненной проводимостью и диэлектрической проницаемостью. Расчеты авторов показывают, что при диаметре волновода, много большем, чем длина волны СВЧ излучения, и толщине стенки порядка длины волны такой волновод может транспортировать СВЧ излучение, идущее под малыми углами к оси волновода, даже при концентрациях электронов в стенках около 1012-1013 см-3, что намного меньше, чем в известном устройстве [2]. При этом рассчитано, что длина затухания СВЧ излучения в таком волноводе составляет порядка сотен метров, что существенно превышает параметры устройства [2]. Эффект транспортировки СВЧ излучения в таком плазменном волноводе подтвержден авторами экспериментально.The indicated scheme for the formation of a tubular laser beam 7 was experimentally tested by the authors. As calculations show, the peak power of laser radiation in the wall of such a tubular beam 7 is many times higher than critical [3], which leads to filamentation of laser radiation, i.e. the beam breaks up into many filament filaments, in which, as shown in the literature and the authors, an effective two-quantum ionization of air occurs. The distance between the individual filaments is much less than the wavelength of the channeled microwave radiation [2], which allows us to consider such a wall as a continuous plasma layer with averaged conductivity and permittivity. The authors' calculations show that with a waveguide diameter much larger than the wavelength of the microwave radiation and a wall thickness of the order of the wavelength, such a waveguide can transport microwave radiation traveling at small angles to the axis of the waveguide, even at electron concentrations in the walls of about 10 12 -10 13 cm -3 , which is much smaller than in the known device [2]. It was calculated that the attenuation length of microwave radiation in such a waveguide is of the order of hundreds of meters, which significantly exceeds the device parameters [2]. The effect of transportation of microwave radiation in such a plasma waveguide is experimentally confirmed by the authors.

Генератор СВЧ излучения (Фиг.1) представляет собой мощный источник СВЧ излучения, например виркатор, либо источник СВЧ излучения малой мощности, например магнетрон или клистрон, а система ввода СВЧ излучения в трубчатый лазерный пучок (Фиг.3) представляет собой, например, отрезок волновода, трансформатор 14 мод [1] и металлическое поворотное зеркало 16 для волн СВЧ диапазона, установленное внутрь пространства, ограниченного стенками трубчатого лазерного пучка, который формируется в процессе работы предлагаемого устройства. Трансформатор 14 мод переводит моду СВЧ поля, генерируемую генератором 9 СВЧ, в моду, оптимальную для транспортировки в создаваемом плазменном волноводе. Авторами рассчитано, что низшие моды круглого диэлектрического или металлического волновода, например мода Н11 круглого металлического волновода [1], наиболее близки к собственным модам плазменного волновода, которые распространяются в нем с наименьшим затуханием. Эффект распространения некоторых мод СВЧ излучения в указанном плазменном волноводе с относительно низким затуханием основан на малости углов, под которыми СВЧ волна падает на стенку указанного волновода (скользящие углы), вследствие чего СВЧ волна эффективно отражается от стенки. Все компоненты СВЧ волны, падающие на стенку под большими углами (моды с большой поперечной составляющей волнового вектора), проходят сквозь нее в свободное пространство или поглощаются в стенке и не поддерживаются волноводом. Применение трансформатора 14 мод, дающего на выходе одну из указанных мод, эффективно распространяющихся в указанном волноводе, позволяет повысить КПД использования мощности генератора 9 СВЧ излучения, и таким образом повысить плотность мощности СВЧ излучения на приемнике. СВЧ излучение после выхода из рупорной антенны 15 проходит сквозь стенку плазменного волновода (Фиг.3), однако, как показывают расчеты авторов, отражение СВЧ мощности от нее мало. Малое отражение обусловлено невысокой электронной плотностью в стенке и тем, что СВЧ излучение падает на нее под углами, близкими к нормали, а достаточно эффективное отражение СВЧ излучения от слоя плазмы с указанной невысокой плотностью возможно лишь при очень малых (скользящих) углах падения, что и используется в реализации данного устройства. Поглощения СВЧ мощности в указанном слое плазмы также мало из-за его малой толщины и малой плотности.The microwave radiation generator (Fig. 1) is a powerful microwave radiation source, such as a vircator, or a low-power microwave radiation source, such as a magnetron or klystron, and the microwave radiation input system in a tubular laser beam (Fig. 3) is, for example, a segment waveguide, transformer 14 modes [1] and a metal rotary mirror 16 for microwave waves, installed inside the space bounded by the walls of the tubular laser beam, which is formed during operation of the proposed device. The mode transformer 14 converts the microwave field mode generated by the microwave generator 9 into a mode optimal for transportation in the created plasma waveguide. The authors calculated that the lower modes of a circular dielectric or metal waveguide, for example, the H 11 mode of a circular metal waveguide [1], are closest to the eigenmodes of the plasma waveguide, which propagate in it with the smallest attenuation. The propagation effect of certain modes of microwave radiation in the specified plasma waveguide with relatively low attenuation is based on the smallness of the angles at which the microwave wave falls on the wall of the specified waveguide (sliding angles), as a result of which the microwave wave is effectively reflected from the wall. All components of the microwave wave incident on the wall at large angles (modes with a large transverse component of the wave vector) pass through it into free space or are absorbed in the wall and are not supported by the waveguide. The use of a transformer 14 modes, which gives one of these modes at the output, which propagate efficiently in the specified waveguide, makes it possible to increase the efficiency of using the power of the microwave generator 9, and thus increase the power density of the microwave radiation at the receiver. Microwave radiation after exiting the horn antenna 15 passes through the wall of the plasma waveguide (Figure 3), however, as the authors show, the reflection of microwave power from it is small. The low reflection is due to the low electron density in the wall and the fact that microwave radiation is incident on it at angles close to the normal, and a sufficiently effective reflection of microwave radiation from a plasma layer with the indicated low density is possible only at very small (moving) angles of incidence, which used in the implementation of this device. Absorption of microwave power in the specified plasma layer is also small due to its small thickness and low density.

Расстояние, на которое транспортируется СВЧ излучение в указанном плазменном волноводе, составляет порядка сотен метров, и при этом плотность мощности на приемнике в 10 и более раз превышает плотность мощности при распространении СВЧ излучения в свободном пространстве. Также указанный плазменный волновод позволяет многократно улучшить избирательность в отношении места расположения приемников СВЧ излучения по сравнению с распространением в свободном пространстве, а длительность транспортировки СВЧ излучения увеличивается до масштабов порядка 1 мкс.The distance over which microwave radiation is transported in the specified plasma waveguide is about hundreds of meters, and the power density at the receiver is 10 or more times the power density when microwave radiation propagates in free space. Also, the specified plasma waveguide can significantly improve the selectivity with respect to the location of the microwave receivers compared with the propagation in free space, and the duration of the transportation of microwave radiation increases to a scale of the order of 1 μs.

Пример реализации предлагаемого устройстваAn example implementation of the proposed device

Предлагаемое устройство реализуется, наример, следующим образом: титан-сапфировый лазер модели МРА (Avesta Project Ltd.) генерирует лазерные импульсы с длительностью около 50 фс, с частотой повторения около 10 Гц, с энергией в импульсе около 10 мДж и с длиной волны около 744 нм, которые поступают на утроитель частоты, представляющий собой генератор третьей гармоники модели ATsG800 (Avesta Project Ltd.), который преобразует указанные импульсы в импульсы с длиной волны 248 нм. Эти импульсы поступают в оптический резонатор, представляющий собой систему из двух плоских параллельных зеркал, отстоящих друг от друга на расстояние 30 см и имеющих прозрачность 20%, в результате каждый из указанных импульсов многократно отражается от зеркал, при этом время его прохода между зеркалами составляет 1 нс. При каждом отражении от выходного зеркала часть энергии импульса выходит наружу резонатора, формируя, таким образом, цуг ультракоротких лазерных импульсов, следующих друг за другом через 2 нс, интенсивность которых постепенно уменьшается от импульса к импульсу. Сформированные таким образом цуги ультракоротких лазерных импульсов последовательно усиливаются в двух криптон-фторовых лазерных усилителях с апертурами 10×10 см2 и 30×30 см2 и длиной 1 м, накачиваемых электронными пучками с длительностью импульса 100 нс и с частотой повторения 10 Гц. Усилитель представляет собой камеру прямоугольного сечения, заполненную смесью аргона, криптона и фтора при полном давлении 1,5 атм. На торцах указанной камеры размещены оптические окна, а электронный пучок вводится через вакуумно-плотную фольгу, отделяющую камеру от электронных ускорителей. Охлаждение газа происходит за счет его принудительной циркуляции через теплообменник. Цуги импульсов проходят через усилители дважды, отражаясь от глухих зеркал на торцах усилителей, в результате чего на выходе оконечного усилителя достигается плотность энергии излучения 10 мДж/см2 для одного ультракороткого лазерного импульса и 500 мДж для цуга из 50 ультракоротких лазерных импульсов, соответствующего импульсу накачки около 100 нс. Полная энергия лазерного излучения в одном цуге составляет порядка 500 Дж. Система питания электронных ускорителей построена на основе генераторов высоковольтных импульсов, обеспечивающих энергию накачки 1 кДж в первом усилителе и 10 кДж во втором с КПД преобразования энергии накачки в энергию лазерного излучения 5% [4]. Указанные генераторы содержат емкостные накопители и коммутирующие блоки и осуществляют сжатие запасенной энергии во времени с помощью магнитного элемента, работающего в ключевом режиме, с последующим обострением за счет прерывания тока диодами.The proposed device is implemented, for example, as follows: a titanium-sapphire laser model MPA (Avesta Project Ltd.) generates laser pulses with a duration of about 50 fs, with a repetition frequency of about 10 Hz, with an pulse energy of about 10 mJ and with a wavelength of about 744 nm, which are fed to the frequency tripler, which is a third harmonic generator of the ATsG800 model (Avesta Project Ltd.), which converts these pulses into pulses with a wavelength of 248 nm. These pulses enter the optical resonator, which is a system of two plane parallel mirrors spaced 30 cm apart and having a transparency of 20%, as a result, each of these pulses is repeatedly reflected from the mirrors, while its transit time between the mirrors is 1 ns. At each reflection from the output mirror, part of the pulse energy goes outside the resonator, thus forming a train of ultrashort laser pulses that follow each other after 2 ns, the intensity of which gradually decreases from pulse to pulse. The trains of ultrashort laser pulses thus formed are sequentially amplified in two krypton-fluorine laser amplifiers with apertures of 10 × 10 cm 2 and 30 × 30 cm 2 and a length of 1 m, pumped by electron beams with a pulse duration of 100 ns and a repetition rate of 10 Hz. The amplifier is a rectangular chamber filled with a mixture of argon, krypton and fluorine at a total pressure of 1.5 atm. Optical windows are placed at the ends of the chamber, and the electron beam is introduced through a vacuum-tight foil that separates the chamber from the electron accelerators. Gas cooling occurs due to its forced circulation through the heat exchanger. Pulse trains pass through amplifiers twice, reflected from deaf mirrors at the ends of amplifiers, as a result of which an output energy density of 10 mJ / cm 2 for one ultrashort laser pulse and 500 mJ for a train of 50 ultrashort laser pulses corresponding to a pump pulse is achieved about 100 ns. The total energy of laser radiation in one train is about 500 J. The power supply system of electronic accelerators is based on high-voltage pulse generators providing a pump energy of 1 kJ in the first amplifier and 10 kJ in the second with an efficiency of converting pump energy into laser energy of 5% [4] . These generators contain capacitive storage and switching units and compress the stored energy over time using a magnetic element operating in key mode, followed by exacerbation due to interruption of the current by the diodes.

За криптон-фторовыми усилителями установлена диафрагма, преобразующая лазерный пучок квадратного сечения размером 30×30 см в пучок круглого сечения диаметром 30 см. За диафрагмой расположено адаптивное зеркало 5 диаметром 35 см, снабженное блоком управления, который рассчитывает необходимые деформации по сигналам с датчика волнового фронта и вырабатывает соответствующие управляющие электрические сигналы.A diaphragm is installed behind the krypton-fluorine amplifiers, which converts a 30 × 30 cm square laser beam into a 30 cm round beam. An adaptive mirror 5 with a diameter of 35 cm is located behind the diaphragm, equipped with a control unit that calculates the required deformations from signals from the wavefront sensor and generates appropriate control electrical signals.

Пройдя через эксимерные лазерные усилители 4 и отразившись от адаптивного зеркала 5, цуг усиленных импульсов поступает в систему 6 формирования трубчатого лазерного пучка, которая представляет собой систему из линзового телескопа 12 и телескопа 13, состоящего из двух аксиконов (конических линз). Линзовый телескоп 12 состоит из положительной линзы диаметром 35 см с фокусным расстоянием 10 м и отрицательной линзы диаметром 3,5 см и фокусным расстоянием 1 м, расположенных на расстоянии 9 м, и уменьшает радиус пучка, вышедшего из эксимерных усилителей 4 до 1,5 см, что определяет толщину стенки трубчатого лазерного пучка. Телескоп 13 из аксиконов состоит из аксикона диаметром 3,5 см с углом при вершине 9° и аксикона диаметром 35 см с углом при вершине также 9°, расстояние между аксиконами равно 205 см, что обеспечивает радиус трубчатого лазерного пучка, равный 30 см. За телескопом 13 из аксиконов установлен делитель 8 пучка, представляющий собой плоскопараллельную пластину, который отводит часть энергии на датчик волнового фронта, сигнал с которого используется для коррекции фазовых искажений в последующих цугах импульсов.Having passed through excimer laser amplifiers 4 and reflected from the adaptive mirror 5, the train of amplified pulses enters the system 6 for forming a tubular laser beam, which is a system of a lens telescope 12 and a telescope 13 consisting of two axicons (conical lenses). The lens telescope 12 consists of a positive lens with a diameter of 35 cm with a focal length of 10 m and a negative lens with a diameter of 3.5 cm and a focal length of 1 m located at a distance of 9 m and reduces the radius of the beam emerging from excimer amplifiers 4 to 1.5 cm that determines the wall thickness of the tubular laser beam. The axicon telescope 13 consists of an axicon with a diameter of 3.5 cm with an apex angle of 9 ° and an axicon with a diameter of 35 cm and an angle of apex of 9 °, the distance between axicons is 205 cm, which ensures a radius of a tubular laser beam of 30 cm. A telescope 13 of axicons has a beam splitter 8, which is a plane-parallel plate that diverts part of the energy to a wavefront sensor, the signal from which is used to correct phase distortions in subsequent pulse trains.

Сформированный таким образом трубчатый лазерный пучок 7 ионизирует воздух на трассе распространения и создает полый плазменный волновод кольцевого сечения с плотностью свободных электронов порядка 1013 см-3, накапливаемой за счет воздействия цуга ультракоротких лазерных импульсов. В указанный плазменный волновод направляется СВЧ излучение с помощью системы ввода, которая представляет собой импульсный магнетрон, генерирующий импульсы СВЧ излучения с длиной волны 8 мм, с пиковой мощностью 20 кВт и длительностью 100 нс, трансформатор 14 мод СВЧ излучения, формирующий моду Н11 круглого металлического волновода, рупорный антенный излучатель 15 и поворотное металлическое СВЧ зеркало 16, помещенное внутрь указанного плазменного волновода.The tubular laser beam 7 thus formed ionizes the air along the propagation path and creates a hollow plasma waveguide of circular cross section with a free electron density of the order of 10 13 cm -3 , which is accumulated due to the action of a train of ultrashort laser pulses. Microwave radiation is directed to the specified plasma waveguide using an input system, which is a pulsed magnetron that generates microwave pulses with a wavelength of 8 mm, with a peak power of 20 kW and a duration of 100 ns, a transformer 14 modes of microwave radiation, forming the H 11 round metal mode a waveguide, a horn antenna emitter 15, and a rotary metal microwave mirror 16 placed inside said plasma waveguide.

Расстояние, на которое транспортируется СВЧ излучение в указанном плазменном волноводе, составляет порядка 1 км, плотность мощности на приемнике примерно в 10 раз превышает плотность мощности при распространении СВЧ излучения в свободном пространстве, а длительность транспортировки СВЧ излучения составляет порядка 100 нс.The distance over which microwave radiation is transported in the indicated plasma waveguide is about 1 km, the power density at the receiver is about 10 times higher than the power density during the propagation of microwave radiation in free space, and the duration of microwave radiation transport is about 100 ns.

Полученные результаты существенно превышают результаты, полученные при применении устройства-прототипа и таким образом подтверждают работоспособность предложенного устройства и достижение поставленных целей.The results obtained significantly exceed the results obtained when using the prototype device and thus confirm the operability of the proposed device and the achievement of goals.

ЛитератураLiterature

1. X.Мейнке, Ф.В.Гундлах. "Радиотехнический справочник", т.1, Государственное энергетическое издательство, М., Л., 1961.1. X. Meinke, F.V. Gundlach. "Radio technical reference book", t.1, State Energy Publishing House, M., L., 1961.

2. М.Chateauneuf, S.Payeur, J.Dubois, J.-C.Kieffer. "Microwave guiding in air by a cylindrical filament array waveguide", Appl. Phys. Letts., v.92, paper 091104 (2008).2. M. Chateauneuf, S. Payeur, J. Dubois, J.-C. Kieffer. "Microwave guiding in air by a cylindrical filament array waveguide", Appl. Phys. Letts., V. 92, paper 091104 (2008).

3. N.Khan, N.Mariun, I.Arts, J.Yeak. "Laser-triggered lightning discharge", New J. of Phys., v.4, pp.61.1-61.20 (2002).3. N. Khan, N. Mariun, I. Arts, J. Yeak. "Laser-triggered lightning discharge", New J. of Phys., V.4, pp. 61.1-61.20 (2002).

4. М.С.Myers, J.D.Sethian, J.L.Jiuliani, R.Lehmbrg, P.Kepple, М.F.Wolford, F.Hegeler, М.Friedman, T.C.Jones, S.B.Swanekamp, D.Weidenheimer, D.Rose. "Repetitively pulsed, high energy KrF lasers for inertial fusion energy", Nucl. Fusion, v.44, pp.S247-S253 (2004).4. M.S. Myers, J.D. Sethian, J.L. J.iuliani, R. Lehmbrg, P. Kepple, M. F. Wolford, F. Hegeler, M. Friedman, T. C. Jones, S.B.Swanekamp, D. Weidenheimer, D.Rose. "Repetitively pulsed, high energy KrF lasers for inertial fusion energy", Nucl. Fusion, v. 44, pp. 247-S253 (2004).

Claims (2)

1. Устройство направленной транспортировки СВЧ электромагнитного излучения, включающее генератор ультракоротких лазерных импульсов, систему формирования трубчатого лазерного пучка, адаптивное зеркало с блоком управления и излучатель передаваемого СВЧ электромагнитного излучения, указанный генератор лазерных импульсов дополнительно содержит систему умножения частоты генерируемого лазерного излучения, систему формирования цуга импульсов указанного лазерного излучения умноженной частоты, эксимерные лазерные усилители и систему ввода передаваемого СВЧ-излучения внутрь пространства, ограниченного стенкой трубчатого лазерного пучка, создаваемого в процессе работы устройства, а указанная система формирования трубчатого лазерного пучка представляет собой телескопы, состоящие из сферических или параболических и конических оптических элементов, и при этом адаптивное зеркало установлено после эксимерных лазерных усилителей перед системой формирования трубчатого лазерного пучка, а непосредственно после указанной системы формирования установлен делитель пучка с датчиком волнового фронта, соединенным с блоком управления указанным адаптивным зеркалом.1. A device for the directional transportation of microwave electromagnetic radiation, including an ultrashort laser pulse generator, a tube laser beam forming system, an adaptive mirror with a control unit and a transmitter of transmitted microwave electromagnetic radiation, said laser pulse generator further comprises a frequency multiplication system for the generated laser radiation, a pulse train generation system the specified laser radiation of the multiplied frequency excimer laser amplifiers and system in water of the transmitted microwave radiation into the space bounded by the wall of the tubular laser beam created during the operation of the device, and the indicated system for forming the tubular laser beam is telescopes consisting of spherical or parabolic and conical optical elements, and an adaptive mirror is installed after the excimer laser amplifiers in front of the system for the formation of a tubular laser beam, and immediately after this formation system, a beam splitter with a wavefront sensor connected to a control unit of said adaptive mirror. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что указанный генератор представляет собой титан-сапфировый генератор ультракоротких лазерных импульсов, указанная система умножения частоты представляет собой утроитель частоты, указанная система формирования цуга представляет собой систему из двух плоских параллельных полупрозрачных зеркал, эксимерные усилители представляют собой криптон-фторовые лазерные усилители с накачкой электронным пучком, система формирования трубчатого лазерного пучка представляет собой телескопы из по меньшей мере двух сферических и по меньшей мере двух конических линз, а система ввода представляет собой трансформатор мод СВЧ-излучения, рупорный антенный СВЧ-излучатель, расположенный вне внутреннего пространства трубчатого лазерного пучка, создаваемого в процессе работы устройства, и металлическое поворотное СВЧ-зеркало, помещенное внутри указанного внутреннего пространства. 2. The device according to claim 1, characterized in that said generator is a titanium-sapphire generator of ultrashort laser pulses, said frequency multiplication system is a frequency tripler, said train formation system is a system of two parallel parallel translucent mirrors, excimer amplifiers represent are krypton-fluorine laser amplifiers pumped by an electron beam, the system for forming a tubular laser beam is telescopes from at least two spherical and at least two conical lenses, and the input system is a microwave mode transformer, a horn microwave antenna emitter located outside the internal space of a tubular laser beam generated during operation of the device, and a metal rotary microwave mirror placed inside specified interior space.
RU2009134283/28A 2009-09-15 2009-09-15 Device for directed transmission of microwaves RU2406188C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009134283/28A RU2406188C1 (en) 2009-09-15 2009-09-15 Device for directed transmission of microwaves

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009134283/28A RU2406188C1 (en) 2009-09-15 2009-09-15 Device for directed transmission of microwaves

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2406188C1 true RU2406188C1 (en) 2010-12-10

Family

ID=46306584

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2009134283/28A RU2406188C1 (en) 2009-09-15 2009-09-15 Device for directed transmission of microwaves

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2406188C1 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2510925C1 (en) * 2012-09-10 2014-04-10 Федеральное государственное бюджетное общеобразовательное учреждение высшего профессионального образования Липецкий государственный технический университет (ЛГТУ) Device for electromagnetic energy transmission
RU2589763C2 (en) * 2014-05-27 2016-07-10 ОАО "Национальный центр лазерных систем и комплексов "Астрофизика" Method for guiding pulsed electromagnetic radiation to remote object
RU2612232C1 (en) * 2015-11-17 2017-03-03 Николай Борисович Болотин Liquid propellant rocket engine
RU2644448C1 (en) * 2016-11-21 2018-02-12 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") Device for transmission of high-power light radiation

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2510925C1 (en) * 2012-09-10 2014-04-10 Федеральное государственное бюджетное общеобразовательное учреждение высшего профессионального образования Липецкий государственный технический университет (ЛГТУ) Device for electromagnetic energy transmission
RU2589763C2 (en) * 2014-05-27 2016-07-10 ОАО "Национальный центр лазерных систем и комплексов "Астрофизика" Method for guiding pulsed electromagnetic radiation to remote object
RU2612232C1 (en) * 2015-11-17 2017-03-03 Николай Борисович Болотин Liquid propellant rocket engine
RU2644448C1 (en) * 2016-11-21 2018-02-12 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") Device for transmission of high-power light radiation

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7649328B2 (en) Compact high-power pulsed terahertz source
Liu et al. Terahertz radiation source in air based on bifilamentation of femtosecond laser pulses
US7317196B2 (en) LPP EUV light source
US8436328B2 (en) Extreme ultraviolet light source apparatus
Thumm Recent developments on high-power gyrotrons—Introduction to this special issue
RU2406188C1 (en) Device for directed transmission of microwaves
CN110232982A (en) Target for EUV light source
Carlsten et al. New source technologies and their impact on future light sources
RU90620U1 (en) DEVICE FOR DIRECTED TRANSPORTATION OF UHF ELECTROMAGNETIC RADIATION
US4755764A (en) Electromagnetic wave amplifiers and generators
Shafir et al. Ionization-induced self-channeling of an ultrahigh-power subnanosecond microwave beam in a neutral gas
US4177435A (en) Optically pumped laser
Hasama et al. 50 J discharge-pumped XeCl laser
Lima et al. Synchronization effect on the small-signal gain and saturation intensity of a CuBr laser
Manheimer et al. High power, fast, microwave components based on beam generated plasmas
US3614653A (en) Optical maser
JP2010186978A (en) Intense optical electromagnetic field generator in optical oscillator utilizing chirped pulse amplification
Chen et al. A novel smith-purcell free electron laser
Zvorykin et al. Microwave energy channeling in plasma waveguides created by a high-power UV laser in the atmosphere
US6167065A (en) Compact discharge pumped soft x-ray laser
Granatstein et al. Coherent synchrotron radiation from an intense relativistic electron beam
WO2015059731A1 (en) Molecular oxygen laser oscillator
Wolford et al. Electra: durable repetitively pulsed 700 J, 100-ns electron-beam pumped KrF laser system
Raskar et al. Electric Field Distribution in a" Hybrid" RF Discharge with Ionization Generated by Ns Discharge Pulses
Kuzovnikov et al. Electron kinetics in a discharge plasma produced by a focused microwave beam in free space

Legal Events

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

Effective date: 20120916

NF4A Reinstatement of patent

Effective date: 20130827

PC41 Official registration of the transfer of exclusive right

Effective date: 20161125

MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20170916