Создание протяженных плазменных структур стало возможным после обнаружения в конце прошлого века нитевидных плазменных следов от мощных ультракоротких лазерных импульсов. Такие плазменные нити или филаменты образуются за счет самофокусировки высокоинтенсивного излучения и ионизации газовой среды (например, атмосферного воздуха), а сам процесс их образования называется филаментацией. Используя этот эффект для лазерного пучка кольцевого сечения (его получают с помощью специальных конических линз – аксиконов или адаптивной оптики), можно из филаментов создать полый цилиндрический плазменный волновод. Если диаметр такого волновода сравним с длиной волны передаваемого СВЧ-излучения, то он будет подобен традиционному металлическому волноводу объемных мод, где распространение сигналов обеспечивается высокой проводимостью стенок. Однако проводимость плазмы намного меньше металлической и СВЧ волны затухают в таком плазменном волноводе всего через несколько метров. Решение проблемы дальности может быть найдено на основе идеи сотрудника ФИАН Гургена Аскарьяна, ещё в 60-х годах прошлого века предложившего создать с помощью ультрафиолетового лазера волновод, в котором СВЧ-излучение отражается от плазменных стенок при скользящих углах падения. Правда, достаточно мощных УФ лазеров для воплощения идеи в то время еще не существовало.

«Эффект полного внутреннего отражения работает, например, в оптических волокнах, когда лазерный импульс без потерь проходит многие десятки, а то и сотни километров благодаря тому, что показатель преломления внешней части волокна несколько меньше, чем в его центре. В плазменном волноводе показатель преломления не ионизованного воздуха в центре немного больше, чем в окружающей плазме. И здесь также есть предельный угол, при котором СВЧ излучение отражается от стенок, не выходя из волновода, хотя какие-то потери за счет поглощения в плазме все же существуют», – рассказывает руководитель работы, ведущий научный сотрудник ФИАН кандидат физико-математических наук Владимир Зворыкин.

«Для получения волновода в экспериментах, – продолжает Владимир Зворыкин, – мы использовали ультрафиолетовое излучение нашего криптон-фторового лазера ГАРПУН. Это мощная лазерная система с энергией излучения около 100 Дж и длительностью импульса 100 нс на длине волны 248 нм. Это излучение хорошо ионизует воздух, так как у него большая энергия квантов – около 5 эВ. В результате, нам впервые удалось продемонстрировать захват и распространение СВЧ излучения с длиной волны 8.5 мм в скользящем плазменном волноводе на расстояние в несколько десятков метров».

Однако несколько десятков метров – далеко не предел. Как выяснил старший научный сотрудник ФИАН, кандидат физико-математических наук Игорь Сметанин, выполнивший подробное теоретическое рассмотрение, для того, чтобы в скользящем плазменном волноводе передавать СВЧ излучение на 1–2 километра, необходимо выполнять два условия – во-первых, поддерживать определенную концентрацию электронов – не менее 10¹²-10¹³ см^-3, и, во-вторых, выдерживать диаметр волновода как минимум в десять раз больше длины волны передаваемого СВЧ излучения.

Рис. 1. Криптон-фторовый лазерный усилитель и оптика для формирования ультрафиолетового кольцевого пучка, используемые для создания плазменного СВЧ-волновода.

Для того, чтобы уменьшить энергетические затраты на формирование столь протяженного плазменного волновода в атмосферном воздухе, было предложено использовать цуг («пакет») ультракоротких УФ лазерных импульсов.

«Для того, чтобы получить большую концентрацию электронов, – объясняет другой участник работы, младший научный сотрудник ФИАН Алексей Левченко, – необходимо повышать интенсивность лазерного излучения. Мы пошли путем сокращения длительности лазерного импульса. Чтобы поддерживать долгоживущий плазменный волновод, учитывая ограниченное время жизни свободного электрона в воздухе, период следования импульсов в цуге должен быть меньше 10 нс».

Для поставленной таким образом задачи криптон-фторовые лазеры подходят идеально – короткое время восстановления усиления в их активной среде позволяет получать цуги импульсов с периодом следования порядка 2 нс. К тому же, кроме «наработки» новых фотоэлектронов, с помощью цуга импульсов можно накапливать электроны, отрывая их от электроотрицательных молекул кислорода.

Использование плазменных СВЧ-волноводов и рупоров может существенно повысить точность и дальность действия радиолокационных устройств. Из других практических применений можно упомянуть активные системы молниезащиты, основанные на возможности управления молниевым разрядом путем создания в атмосфере протяженных проводящих плазменных каналов.

Работа выполнена при финансовой поддержке ООО «Новые энергетические технологии».