Читать книгу: «Псевдогиперболоид 2-го порядка – универсальная платформа управления волнами», страница 2

3. Псевдогиперболоидный источник ЭМ излучения с сверхмалой угловой расходимостью в диапазоне частот до видимого включительно

Особая геометрия и распространение лучей внутри псевдогиперболоида может быть использована в качестве нового резонатора/формирователя мощного ЭМ излучения с сверхмалой угловой расходимостью в диапазоне часто от СВЧ до видимого

Рассмотрим ранее представленную поверхность второго порядка – псевдогиперболоид с точки зрения использования в качестве объёмного резонатора/формирователя мощного ЭМ излучения. Для этого необходимо предусмотреть выходную апертуру в месте сосредоточения ЭМ энергии.

Для этого изменим немного трактрису. Возьмём усечение одной ветви гиперболы со стороны выхода ниже оси фокусов, равном длина волны/2. Например, для СВЧ зазор 0.1-2 мм, ИК 5-50 мкм, видимый свет: 1 мкм.

Рис. № 7. Выходная апертура псевдогиперболоидного источника ЭМ излучения.

В этом случае будет происходить не только концентрация лучей к диаметральной оси фокусов гиперболы, но и узко направленное цилиндрическое распространение по оси фокусов в одном направлении потока с толщиной “стенки” излучения, равной длине волны.

Главная особенность такого резонатора – это формирование ЭМ излучение полой цилиндрической формы с толщиной стенки, равной длине волны и с угловой расходимостью, приближающейся к дифракционному пределу. Геометрическая синергия обеспечивается за счёт специфической формы отражающих поверхностей, описываемых в терминах усечённой гиперболической трактрисы. Такая форма позволяет лучам самосогласованно распространяться и фокусироваться по оси – в отличие от традиционных конфигураций.

Это универсальное физико-геометрическое свойство позволяет использовать резонатор в различных диапазонах частот. Выбор материалов и методов возбуждения зависит от частотного диапазона (СВЧ, ИК, оптический).

Вариант 3-D архитектуры гиперболоидного резонатора показан на следующем рисунке.

Рис. № 8. 3-D архитектура гиперболоидного резонатора.

Где:

– 1- Входной поток

– 2 – Резонатор

– 3- Выходная апертура (толщина стенки = длинна волны)

Замечание!

Рисунки № 8,9,10 показывают макроскопическую геометрию для наглядности. Толщина кольца апертуры = расстояние от оси фокусов до усечения гиперболы оптимально выбирается близким к λ для подавления паразитных мод, максимального согласования импедансов, обеспечения однородности фазового фронта.

Применение псевдогиперболоидной поверхности в газодинамической лазерной генерации имеет свои особенности. Для газодинамической лазерной генерации резонатор должен быть полно проходным для обеспечения газового потока. Здесь возможна реализация двух типов генерации мощного ЭМ излучения:

1.      На основе быстрого расширения газа в осевом направлении резонатора (классическая схема газодинамического лазера).

2.       За счёт быстрого локального нагрева в осевом направлении резонатора (например, в ударной волне – тепломеханическая накачка).

В любом случае псевдогиперболическая поверхность должна быть полно проходной.

Таким образом, в конструктивном плане, в зависимости от назначения, псевдогиперболоидный резонатор направленного излучения может быть изготовлен полно проходным или замкнутым для входного энергетического потока, см. рис. № 9.

Замкнутый тип. Полно проходной тип.

Рис. № 9. 3-D модели двух типов псевдогиперболоидных резонаторов.

Дополнительно, каждый тип псевдогиперболоидного резонатора по выходному каналу может быть открытого типа и полуоткрытого, см. рис. № 10.

Открытого типа Полуоткрытого типа

Рис. № 10. 3-D модели выходных каналов псевдогиперболоидных резонаторов.

Рассмотрим особенности использования псевдогиперболоидного резонатора в различных электромагнитных диапазонах.

1 Физика СВЧ-потоков в псевдогиперболоидном резонаторе

Псевдогиперболоидный резонатор представляет собой полость с криволинейной внутренней поверхностью, сформированной вращением усечённой трактрисы. Такая поверхность обладает переменной отрицательной кривизной. Необычная геометрия стенок заставляет СВЧ-волны многократно отражаться по строго согласованным траекториям: каждая точка поверхности резонатора ориентирована таким образом, чтобы отражённая волна постепенно «переходила» в направленное движение вдоль оси симметрии.

Результат – формирование узконаправленного СВЧ-потока цилиндрической формы по линии фокусов превдогиперболоида.

Принцип тот же, что и у параболического зеркала: все лучи, отражённые от поверхности, собираются в один направленный фронт. Но в отличие от одномерного фокуса – здесь трёхмерное отражающее пространство на основе кривых второго порядка, работающих в синергии. Это обеспечивает пространственную самофокусировку.

Режим волновода

В псевдогиперболоидном резонаторе действует волноводный эффект. EM-волны (в частности, TM или TE моды), возбуждённые, например, магнетроном, попадают в геометрически замкнутое пространство. В зависимости от размеров полости и длины волны имеются резонансные условия, при которых внутренняя структура “настраивается” на устойчивую стоячую волну, усиливая поля.

Форма резонатора обеспечивает

– минимальные потери энергии на рассеяние (волновая энергия не уходит в стороны);

– согласованное направление волнового фронта;

– сужение энергетического канала к выходу – подобно соплу в газодинамике.

– создание полого цилиндрического канала в воздухе (или в газе, если имеется заполняющая среда).

Такой поток:

– легко туннелирует через пространство;

– может использоваться как ионизатор для создания проводящих воздушных дорожек;

– может быть использован для передачи энергии, облучения или формирования управляемого электромагнитного влияния на объекты.

Преимущества перед традиционными резонаторами

– Направление энергии формируется геометрически, а не электронно-фазовым управлением.

– Отсутствуют подвижные части, фокусирующие линзы и зеркала.

– Устойчивая структура волнового фронта при небольших деформациях корпуса.

– Естественная коллимация – формирует почти плоский фазовый фронт.

Таким образом псевдогиперболоидный резонатор в СВЧ диапазоне – это пассивная геометрическая система, которая перерабатывает рассеянную СВЧ-волну в направленный поток с высокой концентрацией энергии в пространстве. Фокусирующие свойства обеспечены не за счёт внешней оптики, а за счёт самой формы поверхности. Это приближает поведение СВЧ-генератора (например, магнетрона) в такой схеме к лазероподобному источнику направленного микроволнового пучка.

2 Физика оптических и ИК-потоков в псевдогиперболоидном резонаторе

Основной принцип: геометрическая фокусировка волны без линз.

В видимом и ИК-диапазонах длина волны λ составляет 400–10 000 нм. При формировании квазипараллельного пучка основное условие – контроль фазового фронта: откуда и как излучение выходит из системы.

Псевдогиперболоид, полученный вращением усечённой трактрисы, имеет идеально сбалансированную отрицательную кривизну вдоль сечений. Поверхность ориентирована так, что лучи, исходящие из области генерации (внутри полости), многократно отражаясь, направляются в диаметральную область фокусов.

Это поведение аналогично параболическому зеркалу – однако в псевдогиперболоиде фокусная поверхность полый цилиндрический объём, а не одну точку, обеспечивая не только фокусировку, но и коллимацию (выравнивание фаз).

Генерация и накачка поля

Для ИК и оптического диапазона возможны все классические способы накачки, в том числе:

– горячий газ/плазма (в случае газодинамического лазера);

– ионизованный газ, нагреваемый ударной волной, либо расширением через сопло;

– оптическое или искровое возбуждение излучающей среды.

В отличие от СВЧ, здесь возбуждение не антенное, а либо тепловое, либо электронно-молекулярное. Однако решающую роль в формировании направленного пучка играет уже не сама активная среда, а псевдогиперболоидная форма, преобразующая изотропное или слабо направленное ИК-излучение в узкий, квазипараллельный канал.

Отличие от классической оптики и лазерных резонаторов

Классические оптические резонаторы используют два зеркала (однородной или сферической формы), обеспечивающие стоячие волны вдоль оси. Псевдогиперболоидная структура:

– является разомкнутой однозеркальной системой – формирует не стоячую, а направленную волну;

– не требует особой согласованности длин резонатора и длины волны (в однопроходной конфигурации);

– выполняет преобразование произвольного источника (вплоть до хаотического) в направленный ЭМ-поток.

Физический механизм концентрации энергии

– Поток излучения в пространстве сохраняет мощность, но благодаря геометрии резонатора механически «собирается» в цилиндрический канал – по сути, плотность мощности возрастает.

– Лучи, первоначально идущие под углом, многократно отражаются от криволинейной стенки, при этом с каждым отражением траектория стремится к оси фокусов – это аналог «оптического раструба наизнанку».

– За счёт параметрического управления кривизной стенок можно изменять фокусные свойства, настраивая длину пучка и плотность энергии.

Псевдогиперболоидный резонатор в оптике и ИК-диапазоне реализует уникальный принцип пространственного фокусирования и коллимации излучения без применения традиционных элементов. Он формирует квазилазерный пучок за счёт формы – то есть сама геометрия преобразует волну в направленный выходной поток. Это открывает путь к созданию простых, компактных и дешёвых устройств для генерации плотного ИК или оптического излучения в гражданских и военных технологиях.

Вывод

Синергия лучевых распространений кривых второго порядка обеспечивает формирование ЭМ излучения полой цилиндрической формы с угловой расходимостью, приближающейся к дифракционному пределу. Эта особенность является ключевой для его универсальности в применении к всему диапазону частот от СВЧ и до оптических включительно. Отличая только в выборе материала изготовления и способами возбуждение колебаний. Например, в СВЧ диапазоне – стальной, с классическим СВЧ возбуждением петлями, штырями, щелями и т.п. В оптическом и около оптическом диапазонах – зеркальный с классической накачкой быстрым расширением газа в резонаторе или и быстрым нагревом газа в ударной волне внутри резонатора.

Предложенный резонатор подходит для создания компактного СВЧ излучателя, принцип действия которого основан на резонансном усилении электромагнитного поля с последующим быстрым выводом энергии в виде мощного СВЧ энергетического потока. Для формирования узконаправленного диаметрального потока СВЧ энергии псевдогиперболоидный резонатор должен быть замкнутого типа, см. рис. № 11.

Рис. № 11. Лучевые распространения в сечении псевдогиперболоидного резонатора для СВЧ энергии.

3. Предложенный псевдогиперболоидный резонатор может быть использован для формирования инфракрасного и видимого мощного потока энергии в газодинамической лазерной генерации. В этом случае псевдогиперболоидный резонатор должен быть полно проходного типа для газодинамического потока. см рис. № 12.

Рис. № 12. Лучевые распространения в сечении псевдогиперболоидного резонатора для ИК и видимого диапазонов частот газодинамической лазерной генерации.

В заявленном резонаторе могут быть реализованы два метода получения инверсной населенности: быстрое расширение газа в сопле (колебательная температура газа больше температуры активных степеней свободы Т1> Т) и быстрый нагрев газа (например, в ударной волне), когда Т> Т 1.

4. Мощный направленный электромагнитный поток в виде тонкого диаметрального канала от СВЧ, ИК и до оптических частот, у которого малая угловая расходимость выходного излучения, приближающаяся к дифракционному пределу, позволит по-новому взглянуть на известные технологии или создать новые технологии.