Плазмовий канал для передачі енергії на відстань, про яку колись говорив знаменитий інженер Нікола Тесла, - вже не фантастика. Вчені з Фізичного інституту ім. П.Н. Лебедєва РАН навчилися створювати плазмові СВЧ-хвилеводи прямо вздовж свого робочого коридору.
Завдяки новому способу транспортування СВЧ-сигналу в ковзному режимі, розробленому фахівцями ФІАНу, можна досягти рекордної дальності - не менше 1 км. Створення протяжних плазмових структур стало можливим після виявлення наприкінці минулого століття нитевидних плазмових слідів від потужних ультракоротких лазерних імпульсів. Такі плазмові нитки (філаменти) утворюються за рахунок самофокусування високоінтенсивного випромінювання та іонізації газового середовища (наприклад, атмосферного повітря), а сам процес їх утворення називається філаментацією. Використовуючи цей ефект для лазерного пучка кільцевого перерізу (його отримують за допомогою спеціальних конічних лінз - аксіконів або адаптивної оптики), можна з філаментів створити порожній циліндричний плазмовий хвилевод. Якщо діаметр такого хвилевода можна порівняти з довжиною хвилі переданого СВЧ-випромінювання, то він буде подібний до традиційного металевого хвилеводу об'ємних мод, де розповсюдження сигналів забезпечується високою провідністю стінок. Однак провідність плазми набагато менша, і СВЧ хвилі загасають у плазмовому хвилеводі всього через кілька метрів. Рішення проблеми дальності може бути знайдено на основі ідеї співробітника ФІАН Гургена Аскарьяна, який ще в 1960-х роках запропонував створити за допомогою ультрафіолетового лазера хвилевод, в якому СВЧ-випромінювання відбивається від плазмових стінок при ковзних кутах падіння. Щоправда, достатньо потужних СФ лазерів для втілення ідеї в той час не існувало
". Ефект повного внутрішнього відображення працює, наприклад, в оптичних волокнах, коли лазерний імпульс без втрат проходить багато десятків, а то й сотні кілометрів завдяки тому, що показник переломлення зовнішньої частини волокна дещо менший, ніж у його центрі. У плазмовому хвилеводі показник заломлення не іонізованого повітря в центрі трохи більший, ніж у навколишній плазмі. І тут також є граничний кут, при якому СВЧ випромінювання відбивається від стінок, не виходячи з хвилевода, хоча якісь втрати через поглинання в плазмі все ж існують ", - розповідає керівник роботи, провідний науковий співробітник ФІАН кандидат фізико-математичних наук Володимир Зворикін. Для отримання хвилевода в експериментах вчені використовували ультрафіолетове випромінювання криптон-фторового лазера ГАРПУН. Це потужна лазерна система з енергією випромінювання близько 100 Дж і тривалістю імпульсу 100 нс на довжині хвилі 248 нм. Це випромінювання добре іонізує повітря, оскільки у нього велика енергія квантів - близько 5 еВ. В результаті вперше вдалося продемонструвати захоплення і поширення СВЧ випромінювання з довжиною хвилі 8,5 мм в ковзному плазмовому хвилеводі на відстань в кілька десятків метрів
. Однак кілька десятків метрів - далеко не межа. Як з'ясував старший науковий співробітник ФІАН, кандидат фізико-математичних наук Ігор Сметанін, який виконав докладне теоретичне вишукування, для того, щоб у ковзному плазмовому хвилеводі передавати СВЧ випромінювання на 1-2 км, необхідно виконувати дві умови. По-перше, підтримувати певну концентрацію електронів - не менше 1012-1013 см-3, і, по-друге, витримувати діаметр хвилевода як мінімум в десять разів більше довжини хвилі переданого СВЧ випромінювання. Щоб зменшити енергетичні витрати на формування такого протяжного плазмового хвилевода в атмосферному повітрі, було запропоновано використовувати цуг («пакет») ультракоротких СФ лазерних імпульсів. А щоб отримати більшу концентрацію електронів, необхідно підвищувати інтенсивність лазерного випромінювання. "Ми пішли шляхом скорочення тривалості лазерного імпульсу. Враховуючи обмежений час життя вільного електрону в повітрі, для підтримки довгоживучого плазмового хвилеводу період проходження імпульсів в цузі повинен бути менше 10 н
с. У вирішенні поставленого таким чином завдання криптон-фторові лазери підходять ідеально - завдяки короткому часу відновлення посилення в їх активному середовищі виходять цуги імпульсів з періодом прямування близько 2 нс.Крім «напрацювання» нових фотоелектронів, за допомогою цуга імпульсів можна накопичувати електрони, відриваючи їх від електроотрицьових молекул кисню
. Використання плазмових СВЧ-хвилеводів і рупорів може істотно підвищити точність і дальність дії радіолокаційних пристроїв. З інших практичних застосувань можна згадати активні системи захисту від блискавок, засновані на можливості управління блискавковим розрядом шляхом створення в атмосфері протяжних каналів, що проводять
. На фото: криптон-фторовий лазерний підсилювач і оптика для формування ультрафіолетового кільцевого пучка, що використовуються для створення плазмового СВЧ-хвилеводу.