Главная   Проекты   Лазерные технологии   Управление и передача электромагнитной энергии с помощью УФ лазера

Управление и передача электромагнитной энергии с помощью УФ лазера

Физическое обоснование управления высоковольтными электрическими разрядами и направленной передачи электромагнитной энергии к удаленным объектам с помощью УФ лазерного излучения

(совместно с Отделением квантовой радиофизики Физического института им. П.Н. Лебедева Российской Академии Наук )

Цели проекта

Возможность создания плазменных электропроводящих каналов в атмосферном воздухе с помощью мощных УФ лазеров вызывает все больший интерес для решения многих практически важных задач: для коммутации высоковольтных протяженных разрядов, в том числе создания активной системы молниезащиты [Э.М. Базелян, Ю.П. Райзер, “Физика молнии и молниезащита”, М., Физматлит, 2001.], увеличения дальности действия радиолокации, разработки специальных антитеррористических средств, новых способов защиты жизненно важных и опасных промышленных и военных объектов от нападения [В. Слюсар, “Генераторы супермощных электромагнитных импульсов в информационных войнах”, Электроника: Наука, Технология, бизнес, №5 (2002); В. Слюсар, “Новое в несмертельных арсеналах: нетрадиционные средства поражения”, Электроника: Наука, Технология, бизнес, №2, с.60-66 (2003)].

Проект посвящен разработке новых физических принципов и лазерных устройств для:

1. управления высоковольтными электрическими разрядами;

2. направленной передачи электромагнитной энергии СВЧ диапазона к удаленным объектам.

В основе обоих этих применений лежит использование УФ лазерного излучения для фотоионизации газа (например, атмосферного воздуха), создания и поддержания в нем электропроводящего канала с концентрацией электронов, необходимой для развития высоковольтного пробоя или создания градиента показателя преломления среды на границе плазма-газ.

Реализация проекта позволит:

1. В первой задаче – значительно увеличить длину высоковольтного пробоя газа и направлять его траекторию вдоль лазерного пучка.

2. Во второй задаче – уменьшить на несколько порядков естественную (дифракционную) расходимость передающих СВЧ устройств, повысить их защищенности от внешних воздействий и скрытно передавать информацию.

Развитие идей.

Еще в 60-е годы было предложено использовать мощные лазеры для создания плазменных антенн и волноводов [Г.А. Аскарьян, Письма в ЖЭТФ, 1, 18 (1965); Г.А. Аскарьян, ЖЭТФ, 55, 1400 (1968).], а также коммутации высоковольтных электрических разрядов. Несколько позднее начались эксперименты по ионизации воздуха в каустике пучков Nd и СО2 лазеров [D.V. Koopman, et al., J. Appl. Phys., 42, 1883 (1971); В.Д. Зворыкин и др., Физика плазмы, 5, 1140 (1979)]. Для ИК лазерного излучения доминирует ударная ионизация молекул электронами, в процессе которой формируется множество плотных плазменных сгустков, причем электрическое сопротивление такой несплошной искры велико, что не позволяет эффективно использовать ее для создания плазменных волноводов и проводящих каналов. При фокусировке пучков аксиконами были получены сплошные лазерные искры длиной до 1,5 м, что однако требовало больших затрат энергии лазеров ~ 200 Дж на метр длины [С.С. Бычков, и др., Труды ИОФАН, 50, 166 (1995); В.В. Апполонов, и др., Квантовая электроника, 32, 115 (2002)].

Рис. 1. Схема экспериментов (a), высоковольтный разряд в воздухе в режиме самопробоя (b) и управляемого пробоя УФ лазерным излучением (c).

Рис. 1. Схема экспериментов (a), высоковольтный разряд в воздухе в режиме самопробоя (b) и управляемого пробоя УФ лазерным излучением (c). Расстояние между электродами в случае (b) – 60 см; (c) – 80 см.

В данном проекте используется УФ излучение KrF лазера (длина волны 248 нм), большая энергия квантов которого (5 эВ) способна рождать свободные электроны в процессе ступенчатой двухквантовой ионизации молекул кислорода О2, не нагревая газ до высокой температуры. Энергозатраты на создание плазменного канала в этом случае требуются на несколько порядков ниже, а его протяженность может достигать ~ 1÷2 км. Использование цуга УФ ультракоротких импульсов (УКИ) позволяет еще более эффективно нарабатывать фотоэлектроны в многоквантовых процессах и поддерживать их стационарную концентрацию за счет фотоотрыва электронов от электроотрицательных ионов О2-.

Лаборатория газовых лазеров.

Работа над проектом ведется в Лаборатории газовых лазеров ООО НЭТ совместно с Отделением квантовой радиофизики Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (ОКРФ ФИАН) под руководством В.Д. Зворыкина коллективом, включающим А.А. Ионина, А.О. Левченко, А.Г. Молчанова, Л.В. Селезнева, Д.В. Синицына, И.В. Сметанина и Н.Н. Устиновского. Авторами продемонстрировано эффективное управление высоковольтным разрядом в воздухе при длине ~ 1 м (см. рис. 1), разработана теория и проведено численное моделирование нового скользящего режима распространения СВЧ излучения в полом плазменном цилиндрическом волноводе кольцевого сечения, выполнены демонстрационные эксперименты по транспортировке СВЧ излучения на крупнейшей в Европе KrF лазерной установке ГАРПУН, работающей в ОКРФ ФИАН.

Актуальность разработок, аналоги.

На сегодняшний день по публикациям известна единственная экспериментальная работа канадских авторов [M. Chateauneuf, et al., Appl. Phys. Letts., 92, 091104 (2008)], где по заказу Министерства обороны Канады практически одновременно с исследованиями по настоящему проекту в ООО «НЭТ» ставились эксперименты на титан-сапфировом лазере ультракоротких импульсов (УКИ) с пиковой мощностью 100 ТВт. Эффект каналирования СВЧ энергии внутри создаваемого УКИ волновода был продемонстрирован на длине всего в 16 см и при длительности передаваемого импульса ~ 10 нс, и был обусловлен распространением объемных мод излучения, подобных тем, которые транспортируются в металлических волноводах. Эта работа свидетельствует о большом интересе к подобным разработкам за рубежом. В частности, интерес к таким исследованиям проявляют такие крупные американские производители военной техники как Raytheon.

В данном проекте используется качественно иной подход, основанный на эффекте полного отражения СВЧ излучения от плазменной стенки волновода при скользящем распространении, подобный тому, как распространяется излучение по оптическому волокну. Экспериментально наблюдался эффект многократного увеличения амплитуды СВЧ импульсов с длительностью 100 нс на значительно больших расстояниях (до 60 метров). Расчеты предсказывают возможность реализации данного принципа транспортировки узконаправленных пучков СВЧ излучения на расстояния до нескольких километров при энергии УФ лазерного излучения в несколько сотен джоулей.

Характеристики конечного продукта, применения.

Рис. 2.

Рис. 2. Мобильная установка для дистанционного разминирования: слева вверху на врезке – дистанционное разминирование на расстоянии порядка нескольких метров с использованием «классической» параболической антенны.

Данная разработка ООО «НЭТ» может быть использована для разработки современных систем молниезащиты, а также для специальных применений в оборонительных системах вооружений. При воздействии мощного СВЧ импульса на электронные схемы современной боевой техники (системы наведения, навигации, управления, электронные схемы ядерных боеголовок и т. п.) происходит либо их необратимое повреждение, либо временные сбои в их работе (см. например Прищепенко А.Б. Огонь – М.: «Моркнига»,2009). Массо-габаритные параметры лазерного комплекса для создания в атмосфере виртуального волновода позволяют разместить его на базе тяжелого грузовика. Такая мобильная установка может быть использована, например, для задач дистанционного разминирования (рис. 2).

Также возможно корабельное и стационарное наземное базирование такого комплекса, соответственно для защиты кораблей и стратегических наземных объектов от нападений с воздуха – авиации, ракет, боеголовок, и т. п. (рис. 3).

Рис. 3. Подавление систем наведения для защиты кораблей и наземных объектов.

Рис. 3. Подавление систем наведения для защиты кораблей и наземных объектов.

Рис. 4. Отношение интенсивностей СВЧ излучения при распространении излучения в виртуальном плазменном волноводе и свободном пространстве.

Рис. 4. Отношение интенсивностей СВЧ излучения при распространении излучения в виртуальном плазменном волноводе и свободном пространстве.

Как показывают расчеты (рис. 4), применение виртуального волновода позволяет увеличить интенсивность СВЧ поля на объекте воздействия (на мишени) в 50 раз по сравнению с интенсивностью облучения, создаваемой обычными параболическими антеннами.

Публикации и патенты.

1. V.D. Zvorykin, A.A. Ionin, S.I. Kudryashov, A.O. Levchenko, A.G. Molchanov, L.V. Seleznev, D.V. Sinitsyn, N.N. Ustinovskii, “Plasma channels in air produced by UV laser beam: Mechanisms of photoionization and possible applications”, in Charge and Neutral Particle Channeling Phenomena “Channeling 2008” (S.B Dabagov and L. Palumbo Eds.), World Scientific, The Science and Culture Series – Physics, 2009.

2. В.Д. Зворыкин, А.О. Левченко, А.Г. Молчанов, И.В. Сметанин, Н.Н. Устиновский, «Каналирование СВЧ-энергии в плазменных волноводах, создаваемых в атмосфере мощным уф лазером», Краткие сообщения по физике, т. 37, № 2, стр. 49-56, (2010).

3. В.Д. Зворыкин, А.О. Левченко, Н.Н. Устиновский, И.В. Сметанин, «Транспортировка СВЧ-излучения в плазменных волноводах скользящих мод», Письма в ЖЭТФ, т. 91 (вып. 5), стр. 244-248, (2010).

4. В.Д. Зворыкин, А.О. Левченко, И.В. Сметанин, Н.Н. Устиновский, «Устройство направленной транспортировки СВЧ-электромагнитного излучения», Патент на полезную модель № 90620 от 10.01.2010.

 

Все проекты направления "Лазерные технологии"