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.