Способ преобразования энергии электромагнитного излучения оптического или более низкочастотного диапазона в энергию волновых возбуждений нелинейной среды

Способ преобразования энергии электромагнитного излучения оптического или более низкочастотного диапазона в энергию волновых возбуждений нелинейной среды

Реферат

 

Использование: изобретение может быть использовано в плазменной электронике для генерации и усиления электромагнитных СВЧ- колебаний или волн, для нагрева нелинейной среды, в том числе плазмы. Сущность изобретения: способ включает пропускание электромагнитного излучения через нелинейную среду, при этом электромагнитное излучение с произвольной шириной спектра модулируют во времени колебаниями постоянной частоты таким образом, чтобы в частотном спектре модулированного излучения каждой несущей частоте исходного немодулированного излучения соответствовало множество частот, равноотстоящих друг от друга на частоту модуляции, нелинейную среду и частоту модуляции подбирают так, чтобы собственная частота волновых возбуждений нелинейной среды была равна или кратна частоте модуляции, и осуществляют условие синхронизма для взаимодействующих в нелинейной среде гармоник промодулированного исходного излучения и данных волновых возбуждений, наводимых в среде. Для повышения КПД преобразования дополнительно накапливают энергию возникающих в нелинейной среде волновых возбуждений путем многократного прохождения промодулированного электромагнитного излучения по замкнутому контуру через один и тот же участок нелинейной среды с использованием одного или нескольких резонаторов. 13 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к способам преобразования энергии оптического или более низкочастотного электромагнитного излучения в различные виды энергии в зависимости от видов волновых возбуждений нелинейной среды: молекулярные, акустические, электрические, температурные, плазменные волновые возбуждения и т. п. и может быть использовано в плазменной электронике для генерации и усиления электромагнитных СВЧ-колебаний или волн, для нагрева нелинейной среды, в том числе плазмы.

Известен способ преобразования энергии интенсивного оптического монохроматического, например лазерного, излучения в энергию волновых возбуждений нелинейной среды, состоящий в пропускании через нелинейную среду интенсивного когерентного лазерного излучения. В основе этого способа лежит явление вынужденного рассеяния света [1] В данном случае для эффективного преобразования энергии должно осуществляться условие синхронизма для взаимодействующих в нелинейной среде падающей лазерной волны, рассеянной лазерной волны и волновых возбуждений, наводимых в среде.

Рассматриваемый способ позволяет производить преобразование энергии исходного интенсивного оптического (лазерного) излучения в энергию различных волновых возбуждений нелинейной среды в зависимости от вида вынужденного рассеяния. В частности, при вынужденном комбинационном рассеянии (ВКР) происходит преобразование в энергию молекулярных волновых возбуждений нелинейной среды, при вынужденном рассеянии Мандельштамма-Бриллюэна (ВРМБ) происходит преобразование в энергию акустических волновых возбуждений и т.п.

Однако этот способ обладает малым КПД преобразования энергии интенсивного оптического (лазерного) излучения в энергию волновых возбуждений нелинейной среды (как правило КПД преобразования меньше сотых долей процента) и, кроме того, для оптического излучения с широким спектром преобразование энергии вышеуказанным способом невозможно.

Известен способ преобразования энергии оптического излучения в энергию волновых возбуждений нелинейной среды, принятый за прототип, включающий пропускание оптического излучения через нелинейную среду [2] В этом способе исходное оптическое излучение, распространяющееся в нелинейной среде, представляет собой суперпозицию двух плоских монохроматических волн с частотами W₁ и W₂ (и волновыми векторами ), подобранными таким образом, чтобы разность частот W₁-W₂ совпадала с частотой _i одного из собственных резонансов среды, т.е. с одной из собственных частот волновых возбуждений, в рассматриваемом случае, с ленгмюровской (плазменной) частотой волновых возбуждений в плазме (ленгмюровские волновые возбуждения или волновые возбуждения плотности пространственного заряда или плазменные возбуждения).

В данном случае преобразование части энергии исходного оптического излучения, представляющего собой двухчастотное лазерное излучение с частотами W₁ и W₂ в энергию волновых возбуждений плазмы с ленгмюровской частотой используют для ускорения заряженных частиц.

Данный способ преобразования энергии справедлив для исходного двухчастотного электромагнитного излучения с частотами W₁ и W₂ более низкочастотного диапазона, например СВЧ- диапазона, при условии, что W₁-W₂= _i Хотя реализация этого способа возможна также при двухчастотном лазерном излучении небольшой мощности, в целом этот способ обладает теми же недостатками, что и предыдущий. Максимальное КПД данного способа, как и предыдущего, не может превышать величину _i/W₁ которая, как правило, меньше сотых долей процента, и для оптического излучения с широким спектром преобразование энергии вышеуказанным способом невозможно.

Предложенное изобретение решает задачу увеличения КПД преобразования энергии электромагнитного излучения с произвольной шириной спектра (как монохроматического или квазимонохроматического, так и излучения с широким спектром) в энергию волновых возбуждений нелинейной среды.

Указанная цель достигается тем, что в известном способе преобразования энергии электромагнитного излучения оптического или более низкочастотного диапазона в энергию волновых возбуждений нелинейной среды, включающем пропускание оптического или более низкочастотного электромагнитного излучения через нелинейную среду, новым является то, что исходное электромагнитное излучение с произвольной шириной спектра модулируют во времени колебаниями постоянной частоты таким образом, чтобы в частотном спектре модулированного электромагнитного излучения каждой несущей частоте исходного немодулированного электромагнитного излучения (т.е. каждой частоте исходного излучения до модуляции) соответствовало множество частот, равноотстоящих друг от друга на частоту модуляции, нелинейную среду и частоту модуляции подбирают так, чтобы собственная частота данных волновых возбуждений нелинейной среды была равна или кратна частоте модуляции, при этом осуществляют условие синхронизма для взаимодействующих в нелинейной среде гармоник (спектральных составляющих) промодулированного исходного излучения и данных волновых возбуждений, наводимых в среде.

Более высокий КПД преобразования энергии электромагнитного излучения оптического или более низкочастотного диапазона в энергию волновых возбуждений нелинейной среды достигается за счет взаимодействия между множеством гармоник модулированного излучения (спектральные составляющие модулированного излучения) и волновыми возбуждениями в нелинейной среде. Данное взаимодействие возникает вследствие распространения в этой среде множества гармоник модулированного излучения с частотами, отличающимися друг от друга на частоту модуляции, при условии, что частота модуляции и нелинейная среда подобраны вышеуказанным образом, причем это взаимодействие будет наиболее эффективным, если выполнено условие синхронизма.

В данном случае условие синхронизма это условие эффективного обмена энергией при взаимодействии в нелинейной среде гармоник (спектральных составляющих) промодулированного исходного излучения и волновых возбуждений, наводимых в этой среде, заключающееся в сохранении определенных фазовых соотношений между гармониками и волновыми возбуждениями на всей области взаимодействия. В частности, набег фаз на всей области взаимодействия для взаимодействующих в данной среде гармоник модулированного излучения и волновых возбуждений относительно друг друга не должен превышать Отсюда следует, что условие синхронизма может выполняться при равенстве фазовых скоростей в данной среде взаимодействующих гармоник и волновых возбуждений.

В самом общем случае в данном изобретении всегда существует определенный размер нелинейной среды вдоль направления распространения промодулированного излучения L_oL_ког (где L_ког длина когерентного взаимодействия или длина когерентности), на котором все фазовые скорости взаимодействующих в данной среде гармоник и волновых возбуждений, можно считать одинаковыми, т.е. всегда существует размер нелинейной среды, на котором условие синхронизма выполняется автоматически без принятия специальных мер. Это справедливо как в случае волновых возбуждений не обладающих дисперсией, так и в случае волновых возбуждений в нелинейной среде, обладающих дисперсией.

Для осуществления условия синхронизма при размерах нелинейной среды (вдоль направления распространения модулированного излучения) L_o>L_ког необходимо выполнять специальные меры. В частности, в случае исходного электромагнитного излучения СВЧ-диапазона в данном изобретении можно использовать замедляющие структуры в виде спиралей для согласования фазовых скоростей гармоник модулированного СВЧ-излучения и волновых возбуждений в нелинейной среде.

Преобразуемое электромагнитное излучение в предлагаемом изобретении может быть как оптическим, так и более низкочастотным, например радиоизлучением, в частности СВЧ-излучением, как непрерывного, так и импульсного действия и иметь произвольную ширину спектра.

В качестве преобразуемого электромагнитного излучения может использоваться монохроматическое или квазимонохроматическое излучение, излучение с широким спектром (например, излучение лазеров или излучение ламп накаливания, ртутных ламп, солнечное излучение и т.п.).

В качестве нелинейных сред могут быть использованы различные нелинейные среды, в частности диэлектрические среды, обладающие центром инверсии: центросимметричные кристаллы, газы, жидкости, а также плазма и др.

Геометрия формы этих сред может быть разная, наряду с объемными протяженными нелинейными средами могут использоваться нелинейные среды с волоконной или волноводной геометрией, т.е. среды с поперечными размерами, соизмеримыми с длиной волны исходного электромагнитного излучения.

Для осуществления модуляции исходного электромагнитного излучения в данном изобретении можно использовать следующие виды модуляции: модуляцию исходного излучения по фазе или частоте колебаниями постоянной частоты, в том числе гармоническими колебаниями; модуляцию по амплитуде периодическими негармоническими колебаниями постоянной частоты, в том числе импульсную модуляцию.

При этих видах модуляции выполняется основное условие, предъявляемое в модуляции излучения в данном изобретении, а именно: в частотном спектре промодулированного электромагнитного излучения оптического или более низкочастотного диапазона каждой несущей частоте исходного немодулированного излучения (т.е. каждой частоте исходного излучения до модуляции) должно соответствовать множество частот, равноотстоящих друг от друга на частоту модуляции.

Для дальнейшего повышения КПД данного преобразования можно дополнительно накапливать энергию возникающих в нелинейной среде волновых возбуждений.

Дополнительное накопление энергии волновых возбуждений нелинейной среды можно осуществлять путем многократного прохождения промодулированного исходного электромагнитного излучения по замкнутому контуру через один и тот же участок нелинейной среды. В этом случае многократное прохождение модулированного излучения по замкнутому контуру через один и тот же участок нелинейной среды можно обеспечить с помощью элементов типа зеркал, призм и т.п.

Для осуществления дополнительного накопления энергии волновых возбуждений нелинейной среды можно использовать резонаторы, способные накапливать энергию данных волновых возбуждений с резонансной частотой, совпадающей с частотой этих волновых возбуждений, при этом нелинейную среду можно размещать как внутри резонатора, так и вне его. Подобное накопление энергии возможно только для видов волновых возбуждений, для которых существуют соответствующие резонаторы. Энергию акустических волновых возбуждений нелинейной среды способны накапливать только акустические резонаторы, энергию электромагнитных волновых возбуждений нелинейной среды способны накапливать только электромагнитные резонаторы и т.п. Чем выше добротность резонаторов, способных накапливать энергию данных волновых возбуждений среды, тем эффективнее протекает процесс накопления. При размещении нелинейной среды вне резонатора преобразованную энергию волновых возбуждений нелинейной среды (например, электромагнитных волновых возбуждений) можно выводить из среды, подводить к резонатору и накапливать в нем. Нелинейную среду можно размещать внутри резонатора (например, внутри объемного СВЧ-резонатора в случае высокочастотных (СВЧ) электромагнитных волновых возбуждений нелинейной среды), при этом процесс накопления преобразованной энергии волновых возбуждений будет осуществляться непосредственно в среде, помещенной в данный резонатор. Можно также использовать несколько таких резонаторов, способных накапливать энергию данных волновых возбуждений с одной и той же резонансной частотой, совпадающей с частотой этих волновых возбуждений. Для этого преобразованную энергию волновых воздуждений, накопленную в первом резонаторе (резонатор первого каскада), подводят ко второму резонатору (резонатор второго каскада), где процесс накопления продолжается. Затем энергию, накопленную во втором резонаторе, подводят для последующего накопления к третьему резонатору (резонатор третьего каскада) и т.д.

Наиболее эффективным для данного преобразования является лазерное излучение, благодаря возможности достижения высокой мощности и малой угловой расходимости. В случае лазерного излучения импульсного действия необходимо, чтобы время длительности импульса T_i существенно превосходило период модулирующих колебаний постоянной частоты T_мод (T_i>> T_мод), где частота модуляции.

В случае использования в качестве исходного излучения солнечного излучения, данное изобретение позволяет преобразовать энергию солнечного излучения в энергию высокочастотных электромагнитных волновых возбуждений нелинейной среды, например плазмы, т.е. преобразовывать энергию солнечного излучения в электромагнитную энергию СВЧ-диапазона.

Из всех видов модуляции, используемых в данном изобретении, самым простым и эффективным является модуляция по фазе или частоте гармоническими колебаниями постоянной частоты.

Использование нелинейных сред с волоконной или волноводной геометрией в данном изобретении позволяет управлять дисперсией, а также достигать больших напряженностей электромагнитных полей в среде при достаточно низких уровнях мощности исходного излучения, что приводит к увеличению эффективности преобразования энергии при прочих равных условиях.

Особо следует отметить, что в качестве нелинейной среды в данном изобретении можно использовать плазму.

В плазме, представляющей собой частично или полностью ионизованный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы, могут возникать следующие волновые возбуждения: продольные с ленгмюровской частотой (ленгмюровские или плазменные или возбуждения плотности пространственного заряда), продольные ионно-звуковые, поперечные электромагнитные с частотой W > _e, где _e- ленгмюровская частота.

Магнитное поле существенно меняет волновые свойства плазмы. При помещении плазмы в магнитное поле число возможных волновых возбуждений в плазме, в энергию которых можно преобразовать энергию исходного электромагнитного излучения оптического или более низкочастотного диапазона, возрастает.

Свойства совокупности подвижных заряженных частиц в твердых проводниках (электронов проводимости в металлах или электронов и дырок в полупроводниках) могут быть близкими к свойствам газоразрядной плазмы. Подобная совокупность подвижных заряженных частиц в твердом теле носит название плазмы твердого тела. Плазму твердого тела также можно использовать в данном изобретении в качестве нелинейной среды для преобразования в энергию различного рода волновых возбуждений, способных возникнуть в плазме твердого тела.

Предлагаемый способ преобразования энергии позволяет осуществлять нагрев нелинейной среды, в частности плазмы. Для нагрева нелинейной среды выбирают такую среду, в которой могли бы возникать волновые возбуждения, диссипирующие в тепло. Далее необходимо осуществить преобразование в энергию этих волновых возбуждений предлагаемым способом, при этом преобразованная энергия данных волновых возбуждений нелинейной среды будет диссипировать в тепло, нагревая эту среду.

Предлагаемое изобретение позволяет осуществлять усиление, умножение частот и генерацию высокочастотных электромагнитных колебаний или воды, в частности электромагнитных колебаний или волн СВЧ-диапазона.

Для усиления с помощью предлагаемого способа высокочастотного электромагнитного сигнала, представляющего собой высокочастотные электромагнитные колебания, формируемые от независимого высокочастотного генератора, необходимо этими колебаниями осуществлять модуляцию исходного электромагнитного излучения оптического или более низкочастотного диапазона, нелинейную среду подбирать так, чтобы данная среда была способна к возникновению в ней высокочастотных электромагнитных волновых возбуждений с частотой, совпадающей с частотой модуляции (т.е. с частотой усиливаемых колебаний). При выводе преобразованной электромагнитной энергии данных высокочастотных волновых возбуждений из среды получают высокочастотные колебания с той же частотой, что и усиливаемые колебания, которыми модулируют электромагнитное излучение, но более мощные, т.е. происходит усиление модулирующих колебаний.

В данном случае усиление высокочастотных колебаний, которыми модулируют исходное электромагнитное излучение, происходит за счет преобразования энергии исходного электромагнитного излучения оптического или более низкочастотного диапазона в энергию высокочастотных электромагнитных волновых возбуждений нелинейной среды.

Для генерации высокочастотных электромагнитных колебаний необходимо в вышеописанном случае усиления электромагнитных колебаний осуществить положительную обратную связь с помощью цепи обратной связи между усиленными высокочастотными колебаниями, выводимыми из среды (выходом схемы усиления) и усиливаемыми модулирующими колебаниями (входом модулятора или входом схемы усиления).

Для умножения частот, т. е. для увеличения в целое число раз частоты электромагнитных высокочастотных колебаний в вышеуказанном случае усиления электромагнитных колебаний, нелинейную среду подбирают так, чтобы собственная частота высокочастотных электромагнитных волновых возбуждений нелинейной среды была кратна частоте модуляции (т.е. частоте электромагнитных колебаний, которыми модулируют исходное электромагнитное излучение оптического или более низкочастотного диапазона). В этом случае с помощью предлагаемого способа происходит преобразование в энергию электромагнитных волновых возбуждений среды с частотой, кратной частоте модуляции, а при выводе электромагнитной энергии этих возбуждений из среды получают высокочастотные колебания с частотой, в целое число раз превышающей частоту исходных модулирующих колебаний.

На фиг. 1-4 приведены примеры преобразования энергии исходного электромагнитного излучения оптического или более низкочастотного диапазона в энергию волновых возбуждений нелинейной среды предлагаемым способом.

На фиг. 1 показана схема преобразования энергии исходного лазерного излучения в энергию ленгмюровских волновых возбуждений плазмы; на фиг. 2 - схема усиления высокочастотных электромагнитных колебаний с использованием предлагаемого способа преобразования энергии; на фиг. 3 схема генерации высокочастотных электромагнитных колебаний, основанная на данном изобретении; на фиг. 4 схема нагрева плазмы с использованием данного изобретения.

Перечень позиций: 1 коллимированный пучок лазерного излучения; 2 - модулятор; 3 модулированное лазерное излучение; 4 электронно-ионная плазма, формируемая с помощью разряда на постоянном токе; 5 прозрачная стеклянная колба; 6, 7 катод и анод дугового разряда; 8 модулирующий высокочастотный электромагнитный сигнал (модулирующие колебания); 9 - электромагнитный резонатор; 10 цепь обратной связи; 11 светоделительное зеркало; 12, 13, 14 зеркала.

Пример 1. Осуществление преобразования энергии исходного лазерного излучения в энергию ленгмюровских волновых возбуждений плазмы.

На фиг. 1 высокочастотный сигнал 8, представляющий собой гармонические электромагнитные колебания и формируемый от независимого высокочастотного генератора, подают на модулятор 2, с помощью которого осуществляют модуляцию исходного лазерного излучения непрерывного действия 1 по фазе (или частоте) гармоническими модулирующими колебаниями постоянной частоты.

В качестве модуляторов, осуществляющих модуляцию по фазе исходного излучения 1 высокочастотными колебаниями на фиг. 1-4 могут использоваться электрооптические модуляторы, работающие на эффекте Поккельса.

Модулятором может быть также зеркало, колеблющееся с частотой С этой целью зеркало либо непосредственно крепится на торец пьезопреобразователя, либо отражающее покрытие напыляется на торец пьезопреобразователя. При подаче электромагнитного сигнала с постоянной частотой W на пьезопреобразователь он начинает вибрировать с частотой W вместе с зеркалом либо с зеркальным покрытием за счет обратного пьезолектрического эффекта. Исходное излучение 1, отраженное от такого колеблющегося с заданной частотой W зеркала, оказывается промодулированным вышеуказанным способом.

Частота модулирующего сигнала (т. е. частота модуляции) W должна быть равна или близка ленгмюровской частоте W_e данной плазмы 4, т.е. = _e Промодулированное высокочастотным модулирующим сигналом лазерное излучение 3 пропускают через плазму 4, помещенную в прозрачную стеклянную колбу 5. Электронно-ионная плазма создается с помощью разряда на постоянном токе, для чего используют катод 6 и анод 7 дугового разряда.

Условие синхронизма осуществляют для взаимодействующих в плазме гармоник модулированного лазерного излучения и ленгмюровских волновых возбуждений. Для этого размер плазмы вдоль направления распространения модулированного лазерного излучения выбирают равным L_oL_ког (где L_ког длина когерентного взаимодействия или длина когерентности), что приводит к автоматическому осуществлению условия синхронизма. В рассматриваемом случае размер L_ког определяется следующим образом (см. выражение 4).

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

Отсюда следует, что при значениях ленгмюровской частоты плазмы порядка сотен мегагерц _e 10⁸ Гц), размер L_ког исчисляется метрами.

В данном случае при пропускании промодулированного по фазе (или частоте) лазерного излучения через плазму будет происходить преобразование энергии этого лазерного излучения в энергию волновых возбуждений плазмы с ленгмюровской частотой (ленгмюровские волновые возбуждения плазмы).

Пример 2. Осуществление усиления высокочастотных электромагнитных колебаний за счет преобразования энергии исходного лазерного излучения в энергию ленгмюровских волновых возбуждений плазмы с последующим выводом преобразованной энергии из плазмы.

То же, что и в примере 1, только для осуществления усиления высокочастотных электромагнитных колебаний 8, в схеме на фиг. 2 этими усиливаемыми колебаниями с помощью модулятора 2 модулируют вышеуказанным образом лазерное излучение 1. Плазму 4 подбирают так, чтобы ленгмюровская частота плазмы _e совпадала с частотой усиливаемых колебаний 8 (т.е. с частотой модуляции). Преобразованную энергию выводят из плазмы 4 и с целью повышения эффективности данного преобразования подводят с помощью коаксиального кабеля или волновода к электромагнитному резонатору 9 с резонансной частотой (либо с одной из резонансных частот, если их несколько), совпадающей с ленгмюровской частотой. В резонаторе 9 происходит дополнительное накопление преобразованной энергии, выводимой из плазмы.

В результате на выходе резонатора 9 получают высокочастотный сигнал с той же частотой, что и усиливаемый, но более мощный, т.е. происходит усиление сигнала за счет энергии лазерного излучения, которая преобразуется в энергию ленгмюровских волновых возбуждений плазмы предлагаемым способом.

Чем выше добротность резонатора 9, тем эффективнее протекает процесс преобразования энергии и тем выше коэффициент усиления.

Расчеты показывают, что при использовании резонаторов с очень высокой добротностью, например криоэлектронных сверхпроводящих резонаторов, значения КПД данного преобразования энергии может достигать величины 90% даже при относительно небольших мощностях (порядка одного ватта) исходного лазерного излучения.

С изменением концентрации зарядов в плазме можно изменять ленгмюровскую частоту плазмы и тем самым варьировать частоту, на которой возможно усиление. При реально достижимых концентрациях зарядов порядка 10⁹-10¹⁴ см^-3 ленгмюровская частота может лежать в диапазоне дециметровых, сантиметровых и даже миллиметровых волн.

Пример 3. То же, что и в примере 2, только для предотвращения потерь преобразованной энергии при выводе из плазмы 4 и подводе к резонатору 9, в качестве резонатора 9 в схеме на фиг. 1 можно использовать СВЧ-резонаторы с емкостным зазором, а стеклянную колбу с плазмой размещать в емкостном зазоре данного резонатора.

Пример 4. То же, что и в примере 2, только для дополнительного накопления преобразованной энергии используют несколько резонаторов, объединенных в каскады. Для этого преобразованную энергию, накопленную в резонаторе 9 с помощью коаксиального кабеля или волновода, можно подводить к следующему резонатору с такой же резонансной частотой (резонатор второго каскада), в котором процесс накопления преобразованной энергии продолжится и т.д. Для предотвращения влияния каждого последующего резонатора на предыдущий можно использовать вентили, расположенные между резонаторами и пропускающие преобразованную энергию только в одном направлении от предыдущего резонатора к последующему, например ферритовые вентили.

Пример 5. То же, что и в примере 2, только энергию исходного лазерного излучения 1 преобразуют в энергию плазменных поперечных электромагнитных волновых возбуждений СВЧ- диапазона с частотой, большей ленгмюровской (w > W_e ), в том числе в энергию СВЧ-волновых возбуждений плазмы, помещенной в магнитное поле. В этом случае частота усиливаемого модулирующего сигнала (т. е. частота модуляции) должна совпадать с частотой данных поперечных электромагнитных волновых возбуждений СВЧ-диапазона в плазме и с резонансной частотой СВЧ-резонатора 9, в котором происходит накопление преобразованной энергии. В данном случае плазма, через которую пропускают промодулированное лазерное излучение, может также располагаться внутри объемного СВЧ-резонатора с вышеуказанной резонансной частотой. Значения КПД преобразования энергии в рассматриваемом примере те же, что и в примере 2.

Пример 6. То же, что и в примере 2, только в качестве исходного излучения используют солнечное излучение. В данном случае усиление высокочастотного модулирующего сигнала происходит за счет преобразования энергии солнечного излучения в энергию ленгмюровских волновых возбуждений плазмы с последующим выводом из плазмы и накоплением преобразованной СВЧ-энергии в резонаторе. Величины КПД рассматриваемого преобразования энергии могут достигать 70% Пример 7. То же, что и в примере 6, только дополнительно с помощью выпрямительного устройства, например СВЧ-выпрямителя, осуществляют дальнейшее преобразование энергии усиленного высокочастотного сигнала в энергию постоянного или переменного тока путем выпрямления данного сигнала.

Пример 8. То же, что и в примере 2, только вместо стеклянной колбы 5, заполненной плазмой 4, используют тонкую стеклянную трубку, заполненную плазмой, с поперечными размерами трубки, соизмеримыми с длиной волны исходного лазерного излучения, т.е. используют плазменный волновод.

Волноводная или волоконная геометрическая форма плазмы в данном случае позволяет достигать больших напряженностей электромагнитных полей в плазме при достаточно низких уровнях мощности исходного лазерного излучения. Вследствие чего, либо снижаются требования к величине мощности исходного лазерного излучения при достижении тех же КПД преобразования энергии, что и в примере 2, либо снижаются требования к величине добротности резонаторов, по сравнению с примером 2, для достижения аналогичных КПД.

Пример 9. То же, что и в примере 8, только в качестве плазменного волновода использован узкий плазменный цилиндр с вышеуказанными поперечными размерами, удерживаемый магнитным давлением при помещении плазмы в магнитное поле (плазменный волновод со свободной границей).

Пример 10. То же, что и в примере 8, только в качестве плазменного волновода используют плазму твердого тела.

Пример 11. Осуществление умножения частот высокочастотного электромагнитного сигнала.

Схема на фиг. 2 может функционировать в режиме умножения частот, т.е. увеличивать в целое число раз частоту поступающего на вход электромагнитного сигнала, в данном случае высокочастотного модулирующего сигнала 8. Для этого плазму подбирают так, чтобы ленгмюровская частота _e данной плазмы 4 была кратна частоте модуляции, (т.е. частоте усиливаемого сигнала) W_e=n где n= 2, 3, В этом случае на выходе резонатора 9 за счет преобразования энергии лазерного излучения в ленгмюровские волновые возбуждения плазмы с последующим выводом преобразованной энергии из плазмы и ее накоплением в резонаторе получают усиленный высокочастотный сигнал с частотой, совпадающей с легнмюровской и кратной частоте модулирующего сигнала, т.е. осуществляется умножение частоты входного модулирующего сигнала в целое число раз.

Пример 12. Осуществление генерации высокочастотных электромагнитных колебаний.

То же, что и в примере 2, только для превращения схемы усиления высокочастотных электромагнитных сигналов, показанную на фиг. 2, в схему генерации этих сигналов (т.е. для самовозбуждения схемы на фиг. 2) осуществляют положительную обратную связь с помощью цепи обратной связи.

На фиг. 3 показана схема генерации высокочастотного электромагнитного сигнала. Схема на фиг. 3 отличается от схемы на фиг. 2 наличием цепи обратной связи 10 между усиленным высокочастотным сигналом (выходом схемы усиления) и усиливаемым модулирующим сигналом (входом схемы усиления).

Пример 13. Осуществление нагрева плазмы за счет преобразования энергии лазерного излучения в энергию ленгмюровских волновых возбуждений плазмы, способную диссипировать в тепло (см. фиг. 4).

В предыдущих примерах использовалось преобразование в энергию ленгмюровских волновых возбуждений плазмы с последующим выводом преобразованной энергии из плазмы.

Однако ситуация меняется, если преобразованную энергию ленгмюровских волновых возбуждений не выводить из плазмы. В этом случае преобразованная энергия волновых возбуждений плазмы с ленгмюровской частотой будет диссипировать в тепло, нагревая плазму.

На фиг. 4 показана схема нагрева плазмы, основанная на данном преобразовании энергии.

Лазерное излучение 1 непрерывного действия модулируют с помощью модулятора 2 по фазе (или частоте) гармоническими колебаниями постоянной чистоты Причем частота модуляции W равна (или близка) ленгмюровской частоте W_e данной плазмы 4, т.е. =_e Затем промодулированное лазерное излучение 3 пропускают через плазму 4, находящуюся в стеклянной колбе 5 и создаваемую с помощью разряда на постоянном токе, для чего используют электроды 6 и 7.

С целью повышения эффективности данного преобразования энергии осуществляют условие синхронизма для взаимодействующих в плазме гармоник модулируемого лазерного излучения и ленгмюровских волновых возбуждений. Для этого размер плазмы вдоль направления распространения модулированного лазерного излучения выбирают равным L_oL_ког, где размер L_ког определяют также, как и в примере 1.

При пропускании промодулированного по фазе (или частоте) лазерного излучения через плазму происходит преобразование энергии этого лазерного излучения в энергию волновых возбуждений плазмы с ленгмюровской частотой с последующей диссипацией преобразованной энергии в тепло, если преобразованную энергию не выводить из плазмы.

Для дальнейшего повышения эффективности данного преобразования дополнительно осуществляют накопление энергии ленгмюровских волновых возбуждений на участке плазмы размером L_oL_ког путем многократного прохождения промодулированного вышеуказанным образом лазерного излучения по замкнутому контуру через один и то же участок плазмы размером L_oL_ког. Для этого в схеме на фиг. 3 используют светоделительное зеркало 11 и зеркала 12, 13, 14.

Каждый раз при прохождении модулированного лазерного излучения через плазму размером L_oL_ког будет осуществляться условие синхронизма и будет происходить преобразование в энергию ленгмюровских волновых возбуждений плазмы с последующей диссипацией в тепло.

При многократном прохождении модулированного лазерного излучения через один и тот же участок плазмы размером L_oL_ког КПД преобразования энергии лазерного излучения в энергию ленгмюровских волновых возбуждений плазмы повышается по сравнению с однократным прохождением за счет накопления энергии волновых возбуждений на каждом проходе. В результате эффективность процесса нагрева плазмы также повышается.

Если не учитывать потери при отражении от зеркал, КПД данного преобразования энергии, а значит и КПД нагрева может приближаться к теоретическому (см. выражение 3). Расчеты показывают, что на практике при использовании в схеме на фиг. 3 зеркал 11, 12, 13, 14 высокого качества, КПД преобразования может достигать нескольких десятков процентов.

Пример 14. То же, что и в примере 13 только для осуществления многократного прохождения модулированного лазерного излучения по замкнутому контуру через один и тот же участок плазмы используют резонатор Фабри-Перо, между зеркалами которого помещают стеклянную колбу 5 с плазмой 4.

Пример 15. То же, что и в примере 13, только в качестве ла