Способ генерирования излучения и устройство для его осуществления

Способ генерирования излучения и устройство для его осуществления

Реферат

 

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к способу и устройству для генерирования излучения оптического диапазона. Предложен способ для генерирования излучения посредством использования протяженной зоны взаимодействия генерируемого излучения с электронами, проходящими через туннельный переход, а также применения электродов из электропроводящего материала протяженной формы с образованием волноводной структуры с уменьшенными оптическими потерями, канализирующей генерируемое излучение вдоль протяженной зоны взаимодействия. Устройство для генерирования излучения может быть реализовано в виде, по меньшей мере, пары полос, размещенных приблизительно параллельно на подложке из диэлектрика, прозрачного для генерируемого излучения, и защищенных покрытием, представляющим собой твердый оптически прозрачный изолятор с минимальным поглощением генерируемого излучения. В результате создано относительно малогабаритное устройство для генерирования монохроматического излучения повышенной мощности с возможностью перестройки, обладающего относительно высоким КПД и пригодного для реализации на технологическом оборудовании в нанотехнологии. 2 с. и 32 з.п.ф-лы, 15 ил.

Изобретение относится к области лазерной техники, а именно к способу и устройству для генерирования излучения оптического диапазона, и может найти широкое применение в различных отраслях промышленности.

Назначением подобного генератора излучения является генерирование излучения электромагнитных волн светового диапазона. Такой генератор характеризуется определенными параметрами, в частности мощностью генерируемого излучения, распределением генерируемого излучения в спектральном диапазоне, возможностью перестройки генератора по частоте, а также коэффициентом полезного действия, габаритами, весом и т.д.

Известно также, что малогабаритные излучатели, генерирующие мощное монохроматическое излучение с возможностью перестройки, являются необходимым условием для эффективного использования лазерной и волоконной техники. Например, они необходимы для проведения спектральных анализов, лежащих в основе многих оптических методов измерения, находящих все более широкое применение в различных отраслях промышленного производства. Генераторы с указанными параметрами излучения позволяют эффективно проводить мониторинг внешней среды (почвы, воды, воздуха), пищи (выявление нитратов, тяжелых металлов, канцерогенов), внутренней среды человека (яды, наркотики, алкоголь, секреты желез и т.д.).

Поэтому очень важно и полезно создать относительно малогабаритное устройство для генерирования монохроматического излучения повышенной мощности с возможностью перестройки. В частности, в результате этого упростится, ускорится и повысится качество оптических методов измерения, но, главное, значительно расширится область использования современной высокоэффективной лазерной техники в промышленности, сельском хозяйстве, в быту, например в устройствах анализа, контроля и управления технологическими процессами.

Существующие в настоящее время генераторы излучений характеризуются параметрами, которые затрудняют, а в ряде случаев делают невозможным их использование в технологических процессах. Ввиду очень малой мощности генерируемого излучения, чрезвычайно больших габаритов, и очень маленького коэффициента полезного действия существующие генераторы могут выполнять лишь роль опытных лабораторных установок. По этим причинам они не могут получить широкого распространения в промышленности, сельском хозяйстве и, тем более, в быту.

Подводя итог изложенному выше можно констатировать, что отсутствие малогабаритных излучателей с мощным перестраиваемым монохроматическим излучением сдерживает внедрение лазерной и волоконной техники в промышленность, и, в частности, оптических методов анализа, контроля и управления производством. В результате снижается эффективность работы в областях, основанных, по своему характеру, на высококачественном анализе и исследованиях составов различных сред как в промышленности (химическое производство, металлургическая промышленность, пищевая промышленность и т.д.), так и в сельском хозяйстве (контроль качества удобрений, семян и т.д.). Число производств, деятельность которых основана на результатах спектральных анализов, и в которых необходимо использовать излучатели с мощным перестраиваемым монохроматическим излучением, очень велико. Имеются также предприятия непроизводственного характера (например, предприятия связи), в которых используется лазерная и волоконная техника и где также могут найти широкое применение излучатели с указанными параметрами.

Ранее предпринимались попытки создать излучатели с мощным монохроматическим перестраиваемым излучением.

Технические решения, описанные в источнике (1), представляют собой перестраиваемые лазеры на красителях. Эти лазеры имеют широкую область перестройки - на одном конкретном красителе область перестройки (по длинам волн) составляет примерно 50 нм, а при смене красителей охватывает всю видимую область спектра 400-750 нм и даже несколько шире. Однако перестраиваемые лазеры на красителях требуют накачки коротковолновым лазерным излучением, обычно от ионного лазера. Таким образом, энергия в таких устройствах испытывает двукратное лазерное преобразование, и это делает его коэффициент полезного действия ничтожным. Кроме того, перестройка лазера на красителе обеспечивается довольно сложным и крупногабаритным оптическим резонатором, так что вместе с ионным лазером все устройство занимает объем в несколько кубометров и вес в несколько сот килограммов. Поэтому лазеры на красителях представляют собой эффективное, но немобильное, лабораторное устройство, которое вряд ли найдет широкое промышленное применение.

Подобное же положение имеет место для перестраиваемых параметрических генераторов (2). Центральным узлом в них является специально подобранный (дорогой) кристалл, в котором излучение от двух лазеров, распространяясь в определенных направлениях, превращается благодаря нелинейным взаимодействиям в излучение другой частоты. Эта частота может перестраиваться посредством изменения направления распространения исходных волн. В них также имеется двукратное лазерное преобразование, снижающее полный коэффициент полезного действия. Кроме того, они громоздки и сложны в настройке, так что им, по всей видимости, также суждена роль лабораторных приборов.

В источнике (3) описано генерирование излучения в сканирующем туннельном микроскопе. Согласно этому источнику, излучение оптического диапазона получается посредством обеспечения прохождения электронов через туннельный переход с одновременным взаимодействием электронов с генерируемым излучением в зоне взаимодействия, в результате применения, по меньшей мере, пары электродов из электропроводящего материала, расположенных друг относительно друга на таком расстоянии, чтобы обеспечивалось перекрытие волновых функций электронных систем этих электродов, при одновременном обеспечении сдвига энергетических уровней электронных систем этих электродов друг относительно друга за счет подведения к электродам разности потенциалов от внешнего источника электрической энергии. Способ генерирования и устройство для генерирования, описанные в источнике (3), приняты за прототип заявленных изобретений. Согласно источнику (3) практически реализованное устройство представляет собой металлическое острие, размещенное вблизи металлической поверхности, между которыми приложено электрическое напряжение. При этом между металлическим острием и плоской металлической поверхностью образуется туннельный переход (пояснение термина дано ниже).

Недостатками прототипа как источника излучения являются малая мощность и немонохроматичность излучения. Поскольку физические эффекты в прототипе (туннельном сканирующем микроскопе) и заявляемых изобретениях сходны, рассмотрим их подробнее.

Известно, что при достаточно малом зазоре между металлами, к которым приложено небольшое электрическое напряжение V, между ними протекает туннельный ток (пояснение физических терминов даны ниже). Согласно источнику (3) прохождение туннельного тока сопровождается оптическим излучением. Физическая природа этого известна и заключается в следующем.

Согласно современным представлениям физики электропроводный металл представляет собой потенциальную "яму" для электронов, за счет которой металл удерживает электроны, и они не могут покинуть его вследствие отсутствия энергии для этого. Распределения энергетических уровней электронов в металле при термодинамическом равновесии даны на фиг. 1. Волновые функции электронных состояний металлов подбарьерно проникают из тела металла в окружающее его пространство, например в диэлектрик или вакуум на небольшую глубину. Данное явление также известно и показано на фиг. 2. Это касается как заполненных электронных состояний, так и незаполненных. При сближении металлов в случае, скажем, когда левый металл (применительно к прототипу - металлическая игла) находится под более высоким электрическим потенциалом, чем правый металл (применительно к прототипу - плоская металлическая поверхность), заполненные электронные состояния левого металла (металлической иглы) оказываются лежащими выше незаполненных электронных состояний правого металла (плоской металлической поверхности). Вследствие этого становится возможным квантовый переход между этими состояниями с излучением фотонов, как это показано на фиг. 3. Вероятность таких переходов определяется матричным элементом энергии взаимодействия электронной системы с электромагнитным полем. Последний же заметно отличен от нуля лишь при существенном перекрытии волновых функций заполненных и незаполненных электронных состояний, т.е. при достаточной малости зазора между поверхностями металлов.

Эффект излучения фотонов при туннелировании электронов сквозь потенциальный барьер установлен в прототипе экспериментально. Это излучение является крайне слабым. Действительно, в стандартной, описанной в прототипе ситуации (когда металлическая игла размещена напротив плоской металлической поверхности) туннельный ток составляет ориентировочно i_t 10^-8a (примерно 610¹⁰ электронов в секунду). Так как характерная разность потенциалов между электродами при туннелировании равна 5 В, то мощность, выделяемая туннельным током, составляет W_t 510^-8 Вт. Установлено, что в излучение идет лишь одна десятитысячная доля (10^-4) этой мощности, т.е. мощность излучения равна W_r 510^-12 Вт (примерно 610⁶ фотонов в секунду). С практической точки зрения излучатель такой мощности действительно труден для применения.

Таким образом, техническое решение, описанное в прототипе, имеет следующие недостатки.

Во-первых, подавляющая часть туннелирующих электронов проходит в металл без излучения фотонов, из-за чего коэффициент полезного действия излучателя оказывается крайне низким, при этом, поскольку полный ток в устройстве невелик, то и полная мощность излучения оказывается ничтожной.

Во-вторых, получаемое спонтанное излучение распределено в широком спектральном диапазоне, что делает невозможным спектрально избирательное использование такого излучателя, в частности, для спектрального анализа.

По существу, техническое решение, являющееся прототипом, трудно назвать излучателем. Скорее всего, оно представляет собой маломощный источник фотонов, хаотично излучаемых в разные стороны в очень широком спектральном диапазоне. Оно не способно генерировать мощное узконаправленное монохроматическое излучение (луч) с возможностью его перестройки по частоте.

Подводя итог вышеизложенному можно сделать вывод, что все существующие технические решения характеризуются либо очень малой мощностью генерируемого излучения, либо они очень громоздки и обладают очень малым коэффициентом полезного действия.

Таким образом, до настоящего времени нет малогабаритного устройства для промышленного применения, которое могло бы генерировать достаточно мощное монохроматическое перестраиваемое излучение.

Целью настоящего изобретения является намерение найти техническое решение, позволяющее повысить эффективность излучателей на основе туннельных устройств и создать малогабаритный перестраиваемый излучатель, пригодный для широкого применения в различных промышленных областях, сельском хозяйстве и быту.

Первым объектом нашего изобретения является разработанный способ генерирования монохроматического электромагнитного излучения при туннелировании электронов сквозь потенциальный барьер с излучением.

Вторым объектом, соответственно, является устройство для генерирования монохроматического электромагнитного излучения при туннелировании электронов сквозь потенциальный барьер с излучением.

В основе заявляемых изобретений лежит ряд выявленных нами важных и перспективных особенностей туннелирования электронов сквозь потенциальный барьер с излучением (туннельного излучения) (пояснения терминов даны ниже).

Во-первых, мы установили, что мощность туннельного излучения, снимаемая с единицы площади, составляет 510^-2 Вт/см², а в генерационном режиме достижимая мощность будет определяться плотностью тока в подводящих телах из электропроводного материала (полосах, электродах), которая, как известно, велика. Следовательно, полная мощность излучателя (туннельного генератора) может быть существенно увеличена за счет увеличения площади туннельного перехода.

Во-вторых, мы установили, что в туннельных излучателях, основанных на туннельных переходах, может быть повышена роль индуцированных излучательных переходов при туннелировании. В этом случае может быть реализован генерационный или суперлюминесцентный режим работы туннельного перехода и существенно повышена конкурентоспособность туннельных излучательных переходов по сравнению с безызлучательными.

С точки зрения решения задачи обеспечения генерирования мощного монохроматического излучения отмеченный эффект индуцированных переходов особенно важен, поскольку, так же как в лазерах, позволяет перейти к генерационному или суперлюминесцентному режиму, когда излучательные переходы становятся основными, а излучение - направленным и когерентным.

В-третьих, мы установили, что при специально подобранной конфигурации электродов, образующих туннельный переход, последние становятся волноводом для генерируемого излучения и обеспечивают длительное его взаимодействие с электронами, проходящими через туннельный переход.

Совокупность этих трех факторов составляет сущность заявляемых изобретений, так как позволяет повысить мощность генерируемого излучения и изменить в лучшую сторону его качественные характеристики, такие как монохроматичность, направленность и другие.

Отметим также, что при туннельном переходе инверсная населенность, необходимая для усиления излучения при индуцированных излучательных переходах, реализуется простым наложением разности потенциалов на тела из электропроводящих материалов (электроды).

При генерировании излучения эта особенность обеспечивает конструктивную простоту устройства для получения усиления излучения и его перестройки по частоте.

Генерационный и суперлюминесцентный режимы возможны лишь, если усиление превосходит потери. Поэтому одной из основ данного изобретения, помимо использования протяженных электродов, является использование дополнительных факторов, снижающих потери генерируемого излучения.

Одним таким фактором является использование в качестве электродов веществ, обладающих минимальным поглощением генерируемого излучения.

Другим фактором является использование электродов в виде тонких слоев, когда толщина слоя оказывается меньшей характерной глубины проникновения излучения в металл, что позволяет существенно снизить потери генерируемого излучения в этом металле. Как известно из физики, характерной глубиной проникновения излучения в вещество (металл) называется такая глубина, отсчитываемая от поверхности вещества (металла), на которой плотность энергии излучения уменьшается в e раз, где e - основание натуральных логарифмов, иными словами неперово число, приблизительно равное 2,71828182845...).

Третий фактор основан на том, что используемое в качестве электрода вещество обладает большой по модулю диэлектрической проницаемостью. В результате этого электрическое поле в металле, по крайней мере, при некоторых конфигурациях волновых полей (а именно такие конфигурации использованы в настоящем изобретении) оказывается много меньшим электрического поля в туннельном зазоре и это также снижает омические потери излучения при этих конфигурациях.

Кроме того, мы пришли к выводу, что, поскольку электроны в металле обладают непрерывным спектром, инверсия населенности и усилительная способность туннельного перехода реализуются в широком спектральном диапазоне. Это позволяет создавать перестраиваемые усилители и генераторы. При этом перестройка может достигаться простым изменением подводимого к электродам из электропроводящего материала напряжения на туннельном контакте.

Наконец, мы установили, что при генерационном или суперлюминесцентном режиме накачка постоянным током является крайне эффективной, поскольку электронов в металле очень много и заполнение опустошенных в результате излучения уровней происходит очень быстро, за времена порядка 10^-14 секунды. Это означает, что стационарный режим генератора будет на высоком уровне мощности и будет ограничиваться, как уже сказано, лишь максимально возможным током в электродах. Если веществом электрода является металл, то этот ток будет очень велик.

Таким образом, с одной стороны, изобретение состоит в создании способа генерирования электромагнитного излучения, согласно которому электромагнитное излучение получают посредством обеспечения прохождения электронов через туннельный переход с одновременным взаимодействием электронов с генерируемым излучением в зоне взаимодействия, в результате применения, по меньшей мере, пары электродов из электропроводящего материала, расположенных друг относительно друга на таком расстоянии, чтобы обеспечивалось перекрытие волновых функций электронных систем этих электродов, при одновременном обеспечении сдвига энергетических уровней электронных систем этих электродов друг относительно друга за счет подведения к электродам разности потенциалов от внешнего источника электрической энергии. Согласно изобретению способ отличается тем, что используют протяженную зону взаимодействия генерируемого излучения с электронами, проходящими через туннельный переход, а также тем, что применяют, по меньшей мере, пару электродов протяженной формы с образованием волноводной структуры с уменьшенными оптическими потерями, канализирующей генерируемое излучение вдоль протяженной зоны взаимодействия.

Уменьшить оптические потери можно различными приемами.

Например, это может быть достигнуто в результате того, что толщина каждого электрода меньше характерной глубины проникновения в него генерируемого излучения. Это позволяет уменьшить потери энергии излучения в веществе электродов. Здесь под термином "толщина электрода" понимается поперечный размер электрода, то есть расстояние от одной боковой стороны размещенного на подложке и выполненного в виде полосы электрода до другой его боковой стороны. Пояснение физического термина "характерная глубина проникновения" приведено выше.

Кроме того, уменьшить оптические потери можно за счет того, что в качестве материала электродов использовался бы материал, характеризующийся минимальными потерями в нем генерируемого излучения. Благодаря этому также обеспечивается снижение потерь генерируемой энергии.

Уменьшить оптические потери можно также в результате такого подбора формы электродов, чтобы обеспечить величину электрического поля излучения в электродах, меньшую по сравнению с величиной электрического поля излучения в зазоре между электродами. Данный прием, как и оба предыдущих, обеспечивает снижение потерь генерируемого излучения. Благодаря ему омические потери в материале электродов становятся меньшими усиления излучения туннелируемыми электронами, что, в свою очередь, приводит к нарастанию генерируемого излучения с увеличением длины электродов, превалированию индуцированных излучательных переходов над спонтанными и безызлучательными, повышению коэффициента полезного действия излучателя и сужению спектра генерируемого излучения. Можно привести множество примеров сочетаний конфигурации электромагнитного поля генерируемого излучения и формы электродов, при которых обеспечивается достижение упомянутого в данном абзаце условия, а именно, при которых величина электрического поля излучения в электродах была бы меньшей по сравнению с величиной этого электрического поля в зазоре между электродами. Один из таких примеров приведен на фиг. 15 настоящей заявки. Согласно ему электроды выполнены в виде параллельных и прямолинейных полос, а конфигурация электромагнитного поля представляет собой овалы.

Желательно, чтобы электрические потенциалы прилагались бы к электродам с возможностью регулирования разности потенциалов. Благодаря этому приему обеспечивается простота перестройки излучателя с одного диапазона генерируемых частот на другой.

Целесообразно, чтобы протяженная зона взаимодействия была бы выполнена приблизительно прямолинейной. Термин "приблизительно прямолинейной" введен по причине того, что технологически невозможно обеспечить создание двух абсолютно параллельных и прямолинейных электродов. При их рассмотрении под все более сильным микроскопом всегда можно обнаружить известные отклонения от абсолютной прямолинейности и параллельности.

Однако протяженная зона может иметь и другие формы. В частности, протяженная зона взаимодействия может быть выполнена криволинейной, например замкнутой. Замкнутая форма также может быть различной, в частности в виде окружности. Такое замыкание позволяет установить в системе положительную обратную связь. В результате заявленное техническое решение может работать в генерационном режиме (пояснение дано ниже). Для съема энергии необходимо вводить в техническое решение специальный выводящий энергию световод (волновод).

С другой стороны, изобретение относится к устройству для генерирования излучения, включающему по меньшей мере пару электродов из электропроводящего материала, расположенных друг относительно друга на таком расстоянии, чтобы обеспечивалось перекрытие волновых функций электронных систем этих электродов, с подведением к электродам разности потенциалов от внешнего источника электрической энергии для обеспечения сдвига энергетических уровней электронных систем этих электродов друг относительно друга так, чтобы обеспечивалась возможность генерирования электромагнитного излучения посредством взаимодействия этого излучения с электронами, проходящими через образовавшийся туннельный переход. Согласно изобретению устройство отличается тем, что, по меньшей мере, пара электродов выполнена с уменьшенным оптическим поглощением и имеет такую протяженную форму в пространстве, при которой зона взаимодействия генерируемого излучения с электронами, проходящими через туннельный переход, является протяженной, с образованием при этом волноводной структуры, канализирующей генерируемое излучение вдоль протяженной зоны взаимодействия.

Применительно к этому устройству мы считаем необходимым выделить следующие развития и/или уточнения совокупности его существенных признаков, относящиеся к частным случаям выполнения или использования.

Желательно, чтобы толщина каждого электрода была подобрана такой, чтобы она была меньше характерной глубины проникновения в него генерируемого излучения (разъяснения терминов "толщина" и "характерной глубины проникновения" приведены ранее). Благодаря этой особенности обеспечивается снижение потерь генерируемой энергии и устойчивая работа устройства.

Предпочтительно, чтобы формы электродов из электропроводящего материала и конфигурация электромагнитного поля генерируемого излучения были бы подобраны так, чтобы величина электрического поля излучения в электропроводящем материале была бы меньше величины электрического поля излучения в зазоре между электродами (конкретный пример такого подбора формы электродов и конфигурации электромагнитного поля был приведен в настоящем описании ранее). Этот конструктивный прием позволяет дополнительно снизить потери генерируемой энергии и повысить устойчивость работы.

Целесообразно также, чтобы в качестве электропроводящего материала электродов был бы использован электропроводящий материал, характеризующийся минимальным поглощением в нем генерируемого излучения. Данный прием, как и оба предыдущих, обеспечивает снижение потерь генерируемого излучения.

В качестве электропроводящего материала электродов, характеризующегося минимальным поглощением генерируемого излучения, могут быть использованы различные материалы. Например, в качестве такого материала может быть использован металл, в частности золото, с соответствующими необходимыми стабилизирующими добавками, а также некоторые другие металлы, удовлетворяющие требованиям, перечисленным в настоящем описании.

Другим примером материалов, из которых могут быть изготовлены электроды, являются окислы металлов. Имеется группа материалов - в основном окислы металлов - которые обладают хорошей электрической проводимостью и, вместе с тем, прозрачностью в оптической области. Такие материалы также могут быть использованы для изготовления электродов. К этим материалам относятся, в частности, окислы олова.

Еще одним примером материалов, из которых могут быть изготовлены электроды, являются полупроводники.

В качестве материалов, из которых могут быть изготовлены электроды, можно указать металлические сплавы, а также другие материалы, уже существующие или синтезированные в будущем, удовлетворяющие указанным в настоящем описании требованиям к ним.

Целесообразно, чтобы в качестве электропроводящего материала электродов использовался бы оптически прозрачный материал. Это позволяет дополнительно увеличить мощность генерируемого излучения. В качестве таких материалов могут быть использованы, например, упомянутые выше материалы на основе окислов олова. Для обеспечения надежной работы устройства, защиты электродов от воздействия окружающей среды и предотвращения механических повреждений желательно, чтобы электроды имели бы покрытие, представляющее собой твердый оптически прозрачный изолятор с минимальным поглощением генерируемого излучения, например кварц, в частности напыленный. В настоящее время существует целое направление в технике, занимающееся вопросом нанесения покрытий путем напыления, и поэтому заявители не считают целесообразным давать описание данной технологии в объеме настоящей заявки, тем более что она не является предметом настоящего изобретения.

В качестве средства сообщения электродам различных электрических потенциалов должен быть использован внешний источник электрической энергии.

При генерационном или суперлюминесцентном режиме (пояснения даны ниже) накачка от внешнего источника током является крайне эффективной, поскольку электронов в электродах очень много и заполнение опустошенных в результате излучения уровней происходит очень быстро. Это означает, что стационарный режим генератора будет на высоком уровне мощности и будет ограничиваться, как уже сказано, лишь максимально возможным током в электродах.

Желательно, чтобы в качестве внешнего источника электрической энергии был бы использован источник постоянного напряжения.

При этом предпочтительно, чтобы источник постоянного напряжения был бы выполнен с возможностью регулирования величины разности потенциалов между электродами. В результате этого перестройка генерируемого излучения может быть достигнута простым изменением подводимого напряжения.

Однако в качестве внешнего источника электрической энергии возможно использование источника переменного напряжения.

В этом случае целесообразно, чтобы источник переменного напряжения был бы выполнен с возможностью регулирования его параметров. За счет этого простым изменением этих параметров может быть достигнута перестройка генерируемого излучения с одного диапазона на другой. При этом наиболее желательно, чтобы источник переменного напряжения был бы выполнен с возможностью регулирования формы и амплитуды электрического потенциала.

Далее заявитель считает необходимым отметить, что, предпочтительно, чтобы образующая туннельный переход, по меньшей мере, пара электродов из электропроводящего материала характеризовалась бы следующими параметрами: ширина каждого протяженного электрода - от 0,5 нанометров до 2,5 нанометров; зазор между протяженными электродами - от 0,5 нанометров до 2,5 нанометров; величина подведенного электрического потенциала между двумя смежными протяженными электродами - от 0,5 вольта до 5 вольт.

Вместе с тем, образующая туннельный переход, по меньшей мере, пара электродов из электропроводящего материала может характеризоваться и другими параметрами.

Для нормальной работы устройства необходимо, чтобы образующая туннельный переход, по меньшей мере, пара электродов из электропроводящего материала обеспечивала бы коэффициент усиления генерируемой волны, больший, чем коэффициент затухания этой волны из-за потерь в веществе электродов, что эквивалентно выполнению следующего условия: где - эффективность устройства; - коэффициент усиления плазменной волны; - коэффициент затухания плазменной волны; = 1/137 - постоянная тонкой структуры; - постоянная Планка; - длина волны излучения; - частота в рад/сек, соответствующая длине волны излучения; d - толщина металлического слоя; ₂ - диэлектрическая проницаемость диэлектрика, окружающего металлические слои; _m - модуль вещественной части диэлектрической проницаемости металла; _m- мнимая часть диэлектрической проницаемости металла, определяющая потери излучения в нем; V - напряжение на электродах; E - заряд электрона; - число, приблизительно равное 3,14...

Вывод данной математической формулы будет приведен далее в настоящем описании, как его неотъемлемая часть.

Для регулирования выходной мощности, а также повышения ее величины желательно, чтобы устройство для генерирования излучения было бы образовано несколькими последовательно размещенными парами электродов, которые являются секциями усиливающей туннельной зоны, с образованием при этой общей волноводной структуры, канализирующей генерируемое излучение, с возможностью подачи разности потенциалов к отдельным секциям от источника электрической энергии независимо от остальных, с обеспечением регулирования таким образом длины зоны, усиливающей генерируемое излучение, и, соответственно, выходную мощность устройства. В результате этого, за счет отключения одной или нескольких секций (пар электродов), можно сравнительно просто уменьшить выходную мощность устройства, и наоборот.

Конкретное конструктивное решение заявляемого устройства может быть различным.

Например, образующие волноводную структуру электроды устройства для генерирования излучения могут быть выполнены в виде полос, размещенных приблизительно параллельно на подложке из диэлектрика, прозрачного для генерируемого излучения, и для защиты покрыты сверху твердым оптически прозрачным изолятором с минимальным поглощением генерируемого излучения, в частности кварцем, например напыленным.

Однако в случае значительной длины устройства (около 1 см) предпочтительно, чтобы образующие волноводную структуру электроды устройства для генерирования излучения были бы выполнены в виде полос, размещенных приблизительно параллельно на подложке из диэлектрика, прозрачного для генерируемого излучения, которая установлена в камере, в стенке которой образован, по меньшей мере, один проем, закрытый материалом, прозрачным для генерируемого излучения.

При этом желательно, чтобы внутри камеры был создан вакуум или она была заполнена газообразным или негазообразным диэлектриком (жидким или твердым диэлектриком), прозрачным для генерируемого излучения.

В качестве газообразного диэлектрика может быть использован, в частности, инертный газ, а в качестве твердого диэлектрика - например, кварц, в том числе напыленный. Это, с одной стороны, уменьшит поглощение генерируемого излучения, а с другой стороны, защитит электроды от неблагоприятных внешних воздействий, а именно предотвратит окисление металлических полос из электропроводящего материала, защитит от механических воздействий и т.д.

Целесообразно, чтобы устройство было оснащено поглотителем генерируемого излучения, например, выполненным в виде пластины, покрытой поглощающим генерируемое излучение материалом и установленной с возможностью перемещения внутрь камеры. Это позволило бы управлять параметрами генерируемого излучения, в частности мощностью.

Предпочтительно, чтобы заявляемое устройство было оснащено по меньшей мере одним отражателем генерируемого излучения. Этот отражатель может быть размещен у концов электродов и иметь различную конструкцию. Например, он может быть выполнен в виде обычного металлизированного зеркала или диэлектрического зеркала, или голографического зеркала и так далее. Отражатель позволяет увеличить эффективную длину устройства, поскольку излучение проходит сначала в одну сторону до отражателя и затем, отражаясь от него, проходит в обратном направлении через усиливающую часть устройства, дополнительно усиливаясь. Таким образом, эффективная длина усиливающей части излучателя увеличивается. Если отражатели установить с обоих концов электродов, то устройство будет способно работать в генерационном режиме, при котором происходит многократное усиление генерируемого излучения. При этом вывод энергии может осуществляться через, по меньшей мере, один частично-прозрачный упомянутый выше отражатель.

Желательно, чтобы параллельные электроды были выполнены прямолинейными.

Однако электроды могут иметь и другие формы в плане и в пространстве. В частности, электроды могут быть выполнены криволинейными, например в виде замкнутых кривых. Как отмечалось ранее, такое замыкание позволяет установить в системе положительную обратную связь. В результате заявленное техническое решение может работать в генерационном режиме (пояснение дано ниже). Для съема энергии необходимо вводить в техническое решение специальный выводящий энергию световод (волновод).

Предпочтительные отдельные воплощения заявляемой группы изобретений, объединенных единым общи