Electromagnetic energy transfer in the atmosphere ionized by laser radiation.pdf В работах [1-4] исследованы основные параметры канала распространения лазерных пучков в аэрозольных средах и в атмосфере. Из результатов этих работ видно, что с использованием лазерных пучков возможно формирование атмосферного канала связи с помощью радиоволн. В [1] рассматриваются различные способы ионизации атмосферы с помощью предварительного введения аэрозольных частиц различной химической природы в лазерный канал. Однако такой способ является затратным и сложным для практической реализации. Поэтому представляет интерес рассмотреть возможность использования атмосферного аэрозоля для создания слабоионизованной зоны ионизации, формируемой дистанционно лазерным излучением, и передачи с помощью ее СВЧ-излучения. Локализация электромагнитного излучения в плазменном канале При распространении излучения СО2-лазера в атмосфере, содержащей природный аэрозоль с концентрацией частиц Nч ~ 106-108 м-3 и радиусом Rч ~ 5∙10-8-10-6 м, порог пробоя достигается при плотности потока лазерного излучения более 1012 Вт/м2 [2-4]. В результате в атмосфере создается слабоионизованный канал, в который вводится электромагнитное излучение. Полное отражение волн от ионизованного слоя будет происходить, когда частота электромагнитного поля, распространяющего в канале, не превосходит частоту плазменных колебаний в слое. Необходимая концентрация электронов Ne в ионизованном канале зависит от частоты передаваемой электромагнитной волны. При наклонном падении лучей максимально возможная частота электромагнитного излучения, отражаемая плазмой, определяется выражением [5] ; (1) . (2) Здесь fкр - плазменная ленгмюровская частота; Nкр - критическая плотность электронов для заданной частоты электромагнитного излучения; - угол между падающим излучением и нормалью к поверхности канала в точке падения. Из выражения (1) видно, что при наклонном падении волны чем меньше угол между направлением распространения излучения и поверхностью ионизованного канала, тем больше частота электромагнитного излучения, которое захватывается каналом ионизации. Формирование волноводного канала с отражающими стенками в атмосфере Рассмотрим процесс каналирования электромагнитной волны с помощью оптического излучения. Если лазерный луч в атмосфере ориентируется в заданном направлении и сканируется по замкнутой конической поверхности, то его интенсивность должна быть такой, чтобы в области сканирования лазерного луча образовался низкотемпературный «плазменный волновод» с некоторым углом при вершине конуса. В этот образованный плазменными стенками канал вводится электромагнитное излучение с частотой, обеспечивающей его полное отражение от внутренних стенок канала. Скорость сканирования лазерного излучения определяется временем распада ионизованного газа. Необходимо, чтобы за время одного сканирования луча в пространстве концентрация электронов между стенками канала не уменьшилась ниже критической. Например, если длина волны электромагнитного излучения составляет 0.1 м, то необходимая концентрация электронов составляет Ne ~ 3.4 1014 м-3. Однако практически Ne может быть существенно меньше, на порядок и более. Это следует из того, что в реальной атмосфере содержится значительное количество твердых частиц аэрозоля разных размеров (от субмикронных до микронных). При воздействии на эти частицы достаточно интенсивного излучения происходит их испарение и ионизация паров. В результате вокруг частиц образуются электронные облака с концентрацией свободных электронов Ne ~ 1023 м-3. Причем размеры областей с повышенной электронной концентрацией могут в десятки раз превышать размеры аэрозольных частиц. Таким образом, ионизованный канал приобретает сетчатую структуру. Для длины волны электромагнитного излучения, превышающего размеры этой структуры, практически всегда будет выполняться условие полного отражения, даже если средняя концентрация электронов в канале будет меньше критической. Кроме того, значительное снижение Ne в канале, при фиксированной длине волны электромагнитного излучения, может быть достигнуто за счет ориентирования этого излучения под малым углом к поверхности плазменной стенки канала. В результате минимальная концентрация электронов в области ионизации может составлять 1011-1012 м-3 для длин волн 1-10 см. Сам же ионизованный канал заданной длины создается с использованием двух и более лазеров, работающих в различных частотных диапазонах. Например, сочетание УФ-лазера мощностью несколько ватт с СО2-лазером позволяет на 2-3 порядка снизить пороговую интенсивность пробоя [3]. В настоящее время, как известно, имеются непрерывные лазеры мощностью в сотни киловатт [6]. На рис. 1 представлена схема одного из вариантов реализации рассматриваемого метода передачи энергии. Лазерное излучение от источника 1 проходит коллимирующую систему 2, 3, формирующую лазерный луч необходимого размера. Затем излучение падает на зеркало 4, отражаясь от которого поступает на вращающееся гидромотором 8 зеркало 5. После отражения от зеркала 5 излучение направляется на тороидальные зеркала 6, 7 и выводится в атмосферу. Рис. 1. Схема передачи электромагнитной энергии с помощью искуcственно созданного конического канала ионизации: 1 - источник лазерного излучения; 2, 3 - коллимирующая система; 4, 5 - 100% отражающие зеркала; 6, 7 - тороидальные зеркала; 8 - гиромотор; 9 - источник электромагнитного излучения; 10 - коаксиальный фидер; 11 - рупорная антенна В атмосфере лазерный луч сканируется по поверхности, имеющей форму слаборасходящегося конуса. При оптическом пробое или режиме допробойной ионизации паров испаренного вещества аэрозоля [2, 3] образуется замкнутый «плазменный волновод». Максимальная длина «плазменного канала» зависит от коэффициента ослабления излучения в канале. В формируемый «волновод» вводится электромагнитная энергия от источника 9, подводимая фидером 10 к рупорной антенне 11, которая находится внутри «плазменного канала». Излучаемая энергия с рупорной антенны поступает внутрь плазменного канала и передается на приемник. Проведенные натурные измерения в реальной атмосфере [2] показали, что необходимая частота сканирования лазерного луча составляет ~ 104 Гц. Такая частота может быть получена при использовании специальных систем сканирования лучом [7, 8]. Пробой или допробойный режим ионизации паров испаренного вещества осуществляется импульсами, длительность которых по полуширине и ~ 10-10 с и частота ~ 108 Гц в режиме теплового взрыва частиц аэрозоля [9]. При этом возможны минимальные энергетические потери на трассе, так как лазерный импульс будет как бы опережать плазменные очаги на частицах. Следует иметь в виду, что концентрация субмикронных частиц в канале пучка, распространяющегося в атмосфере, может достигать значений 109-1010 м-3. При такой концентрации частиц возможно полное перекрытие плазменных оболочек вокруг дисперсных частиц и стенки канала будут практически полностью ионизованы. Использование «отражающего зеркала» для загоризонтного переноса При необходимости загоризонтной передачи СВЧ энергии в атмосфере может быть создана плазменная отражающая область. В этом случае для формирования «плазменного зеркала» лазерное излучение от источника равномерно сканируется в определенной области пространства, где происходит ионизация атмосферы. Длительность периода сканирования лазерным излучением определяется временем распада плазмы и составляет, как и для плазменного лазерного волновода, ~ 10-4 с. Поток СВЧ-излучения от источника направляется на «плазменное» зеркало, которое отражает это излучение на приемник. Энергозатраты при реализации такой схемы снижаются, если есть возможность предварительно распылить в заданной области пространства конденсированные вещества с низкими потенциалами ионизации паров и поверхности твердого тела (BaO, CsNO3 и т.д.), а также вещества, с участием которых протекают экзотермические химические реакции, например, углерод [4]. Тогда для облучения аэрозольного облака потребуются лазерные источники (с непрерывным излучением или с длинными лазерными импульсами), интенсивность которых ~ 1010-1011 Вт/м2. При больших размерах аэрозольного облака время сканирования может быть уменьшено до единиц секунд. Однако отметим, что при распылении аэрозольных облаков «плазменное зеркало» с фокусирующими свойствами создать трудно, так как в этом случае ионизируется весь объем аэрозоля, а электромагнитная энергия будет рассеиваться в большом диапазоне углов. Отражающие (рассеивающие) свойства отдельных плазменных очагов При воздействии импульсного лазерного излучения на атмосферу области ионизации будут локализованы вокруг отдельных аэрозольных частиц. В этом случае плазменные очаги могут не перекрываться, расстояние между ними будет 10 см и более, и тогда их можно рассматривать как отдельные рассеиватели электромагнитного излучения. И если при этом учесть вид индикатрисы рассеяния СВЧ-излучения плазменными очагами, то можно создать такую геометрию отражения, при которой также снижается необходимая для ионизации среды энергия лазерного пучка. Как известно [10], показатель преломления низкотемпературной плазмы имеет комплексный вид m = n + i , где , ; (3) . (4) Здесь - круговая частота; n, - действительная и мнимая части показателя преломления; e - диэлектрическая проницаемость; N - концентрация заряженных частиц; e и mе - заряд и масса электрона; w02 = b/mе, g = d/mе, d, b - коэффициенты. На рис. 2 представлены результаты расчетов, проведенных по теории Ми [10-12], коэффициентов рассеяния, электромагнитного излучения с длиной волны 10 см шаровидными частично ионизованными образованиями диаметром 1 мм с концентрацией Np = 103 м-3, находящимися в среде с показателем преломления nср = 1.0, в зависимости от действительной части показателя преломления сферы n и мнимой . Из рис. 2 видно, что при разных значениях мнимой части комплексного показателя преломления и одном и том же значении действительной части коэффициент рассеяния меняется слабо. Расчеты показали, что коэффициент рассеяния для выбранных концентраций и диаметра частиц составляет ~ 2.14∙10-8 мм-1, что укладывается в диапазон значений коэффициентов рассеяния (2-3 порядка) при изменении показателя преломления от 0.99 до 0.95 для одного и того же . Рис. 2. Зависимость коэффициента рассеяния от показателя преломления и поглощения Резкий скачок коэффициента наблюдается в области аномальной дисперсии при = -1. Расчет для сильно отражающих частиц с n = 3 и = -10 показывает, что такие частицы рассеивают излучение как плазменные образования в области аномальной дисперсии. Из анализа данных расчетов следует, что при изменении действительной части показателя преломления плазменного очага от 0.99 до 0.95, независимо от мнимой части показателя преломления в диапазоне 0.001-0.2, коэффициент рассеяния плазменных неоднородностей возрастает на 2-3 порядка. Этот результат указывает на возможность передачи потока СВЧ-излучения, когда плазменные очаги не перекрываются между собой. Для передачи информации на длинных волнах (1000-3000 м) можно также использовать эффект генерации излучения плазменными очагами [1]. При изменении размеров плазменного очага в пространстве путем модуляции интенсивности лазерного излучения появляется возможность варьировать частотой и амплитудой излучаемых электромагнитных волн в заданном диапазоне. Обнаруженный экспериментально эффект генерации электромагнитных волн в допробойном режиме [1] указывает на то, что и в этом случае возможно достижение указанной выше цели. Уровень сигнала электромагнитного излучения в этом случае на порядок меньше, чем в режиме пробоя, но достаточен для уверенной регистрации современной чувствительной аппаратурой [13, 14]. Оценки показывают, что при сканировании в пространстве лазерного излучения с частотой 103-104 Гц, при распространении СВЧ-импульсов длительностью 1 мкс за одну стадию ионизации среды, скорость передачи информации может быть доведена до 105-106 СВЧ-импульсов в секунду. Инициирование плазменных образований в ионосфере Основная особенность в этом случае заключается в том, что под воздействием высокочастотного электрического поля оптического излучения температура электронов в возмущенной области ионосферы возрастает [5, 12-14], что в конечном итоге приводит к росту концентраций электронов и ионов. С использованием определения плотности потока энергии излучения и результатов работы [5] для оценки пороговой интенсивности лазерного пробоя ионосферы можно записать , (5) где , (6) me, e - масса и заряд электрона; A, B - константы; β - коэффициент прилипания электронов к молекулам газа. На высоте 100 км А = 2.8∙108 м3∙с-1, В = 6.5∙10-16•N2 м8∙с-4, N = 1018 м-3 (концентрация атомов газа). В результате расчеты пороговой интенсивности для = 10.6 мкм дают значение Ith = 4∙1014 Вт/м2. Характерное время каскадной ионизации, при которой происходит несколько последовательных актов возбуждения с последующей ионизацией, равно tth (0.9-1.1)∙10-6 [12]. При интенсивностях лазерного излучения I меньше пороговой в канале пучка устанавливается более низкий уровень ионизационного равновесия, который оценивается формулой Саха , (7) где Nm - концентрация нейтральных частиц газа; Nim - концентрация ионизованных частиц газа; T - температура газа; i - энергия ионизации. Следует отметить, что за счет дрейфа заряженных частиц ионосферы в магнитном поле Земли первоначально созданная лазерным излучением ионизация является неустойчивой. Тогда появляется возможность усиления колебаний на резонансных плазменных частотах р, например, путем воздействия бигармонической накачкой лазерными пучками с частотой биений 1 - 2 = р. Критерий неустойчивости вдоль направления вектора напряженности магнитного поля определяется выражением [11] , (8) где N - изменение концентрации заряженных частиц; N0 - начальная концентрация электронов; v0 - скорость дрейфа ~ 10-100 м/с; ΩH, νim - гиромагнитная частота и частота столкновений; - время жизни электронов; - параметр, который затабулирован в этой же работе. Значение его для высоты над поверхностью Земли 100 км равно 5 с (днем) и 200 с (ночью). Выводы 1. Для передачи электромагнитного излучения СВЧ-диапазона длин волн через атмосферу возможно использование слабоионизованного канала, создаваемого лазером субнаносекундной длительности с частотой следования импульсов 108 Гц, обеспечивающим пробойный или допробойный режим ионизации. 2. При изменении действительной части показателя преломления плазменного очага от 0.99 до 0.95, независимо от значения мнимой части показателя преломления в диапазоне 0.001-0.2, коэффициент рассеяния на плазменных неоднородностях возрастает на 2-3 порядка. 3. Управление режимом ионизации можно осуществить путем дополнительного ввода в атмосферу аэрозоля с низким потенциалом ионизации и последующим воздействием на него лазерным излучением с интенсивностью ~ 1010-1011 Вт/м2. 4. Для создания повышенных областей ионизации в ионосфере с использованием СО2-лазера, как показали оценки, достаточно интенсивности порядка 4∙1014 Вт/м2.

Скачать электронную версию публикации