Способ преобразования энергии оптического излучения с произвольной шириной спектра в энергию электромагнитных колебаний или волн радио- или более низкочастотного диапазона

Способ преобразования энергии оптического излучения с произвольной шириной спектра в энергию электромагнитных колебаний или волн радио- или более низкочастотного диапазона

Реферат

 

Способ преобразования энергии оптического излучения с произвольной шириной спектра в энергию электромагнитных колебаний или волн радио - или более низкочастотного диапазона относится к области преобразования энергии и может быть использовано для преобразования энергии солнечного излучения в электромагнитную энергию СВЧ диапазона или в энергию переменного у или постоянного тока (т.е. в гелиоэнергетике), а также при разработке мощных параметрических СВЧ усилителей и генераторов на лазерной накачке. Способ включает 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 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, 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 модулированного оптического излучения и генерируемых колебаний или волн, энергия которых накапливается с помощью одного или нескольких резонаторов. 31 з.п. ф-лы, 5 ил.

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).

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.

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].

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.

Однако этот способ обладает малым КПД (коэффициентом полезного действия) рассматриваемого преобразования энергии.

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.

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.

Подобный способ позволяет преобразовывать как энергию монохроматического оптического излучения, так и энергию оптического излучения с широким спектром, например солнечного излучения.

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.

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.

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%.

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.

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.

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.

Чем выше добротность резонаторов, накапливающих преобразованную энергию, тем эффективнее протекает процесс преобразования энергии и тем больше величина КПД данного преобразования.

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.

При размере L_о 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.

При размере нелинейной среды без центра инверсии L_о, 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.

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.

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.

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 T_i существенно превосходило период модулирующих колебаний T_мод (T_i>T_мод).

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.

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.

К квадратичным нелинейным средам относятся нецентросимметричные кристаллы, например, кристаллы кварца (SiO₂), KDP (KH₂PO₄), мочевины (CO(NH₂)₂)) и др.

Кубичная нелинейность характерна для диэлектрических сред, обладающих центром инверсии: центросимметричные кристаллы, газы, жидкости.

Однако постоянное электрическое (или магнитное) поле, поляризуя изотропную среду, лишает ее центра инверсии.

Поэтому кубичная нелинейная среда, помещенная в постоянное электрическое (или магнитное) поле, также является нелинейной средой без центра инверсии.

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.

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.

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.

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.

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).

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 (180^o).

В предлагаемом изобретении всегда существует определенный размер нелинейной среды без центра инверсии вдоль направления распространения промодулированного оптического излучения: L_о L_ког ( где L_ког - длина когерентного взаимодействия или длина когерентности), на котором условие синхронизма выполняется автоматически без принятия специальных мер.

На этом расстоянии L_о L_ког набег фаз всех взаимодействующих гармоник модулированного оптического излучения и генерируемых в данной среде колебаний или волн относительно друг друга не превышает (180^o).

Для осуществления условия синхронизма при размерах нелинейной среды без центра инверсии вдоль направления распространения промодулированного оптического излучения L_о>L_ког, необходимо выполнять специальные меры. С этой целью, например, данная нелинейная среда может представлять собой набор соприкасающихся нецентросимметричных кристаллов, размером L_ког, ориентированных друг относительно друга так, чтобы волны нелинейной поляризации каждый раз при прохождении в другой кристалл испытывали скачок фазы на (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.

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.

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).

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.

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.

В качестве нелинейной среды без центра инверсии в данном изобретении могут использоваться квадратичные нелинейные среды, к которым относятся нецентросимметричные кристаллы.

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 ₁ = 0,15 мкм до ₂ = 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.

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.

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.

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.

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 L_о вдоль направления распространения модулированного оптического излучения не превышает длину когерентного взаимодействия (или длину когерентности) L_ког, т.е. L_о L_ког. Длина когерентного взаимодействия L_ког - 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 (180^o).

В этом случае условие синхронизма будет выполняться без принятия специальных мер, т.е. автоматически.

Таким образом, условие синхронизма возможно осуществить путем выбора размера нелинейной среды L_о L_ког.

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 L_ког определяется выражением (2) (см. пример 1).

Для осуществления условия синхронизма при размерах нелинейной среды без центра инверсии вдоль направления распространения модулированного оптического излучения: L_о > L_ког, 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 L_кр L_ког, 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 (180^o).

Если такая нелинейная среда состоит из m-кристаллов, размером L_кр L_ког каждый, то общий размер среды L_о, на котором будет осуществляться условие синхронизма будет равен: L_o = mL_кр >> L_ког 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 L_о > L_ког) 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.

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 L_ког. В результате условие синхронизма будет выполняться автоматически без принятия специальных мер.

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.

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.

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 L_о L_ког вдоль направления распространения модулированного оптического излучения, либо нелинейную среду в виде набора нецентросимметричных кристаллов, размером L_кр L_ког каждый, посаженных на оптический контакт и ориентированных друг относительно друга вышеупоминавшимся образом.

Геометрия нелинейной среды без центра инверсии в данном случае может иметь не только объемный протяженный характер, но и волноводный или волоконный характер.

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.

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 L_о L_ког, вдоль направления распространения модулированного оптического излучения, либо нелинейную среду без центра инверсии, в виде набора нецентросимметричных кристаллов, размером L_кр L_ког каждый, посаженных на оптический контакт и ориентированных друг относительно друга вышеупоминавшимся образом, либо использовать нелинейные среды с волоконной или волноводной геометрией.

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.

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).

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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

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