способ преобразования энергии оптического излучения с произвольной шириной спектра в энергию электромагнитных колебаний или волн радио- или более низкочастотного диапазона

Формула изобретения

1. Способ преобразования энергии оптического излучения с произвольной шириной спектра в энергию электромагнитных колебаний или волн радио- или более низкочастотного диапазона, включающий облучение оптическим излучением среды, в которой происходит преобразование энергии оптического излучения, отличающийся тем, что оптическое излучение модулируют во времени колебаниями постоянной частоты радио- или более низкочастотного диапазона таким образом, чтобы в частотном спектре модулированного оптического излучения каждой несущей частоте исходного немодулированного оптического излучения соответствовало множество частот, равноотстоящих друг от друга на частоту модуляции, в качестве среды используют нелинейную среду без центра инверсии, в которой происходит преобразование энергии промодулированного оптического излучения в виде генерации электромагнитных колебаний или волн радио- или более низкочастотного диапазона, и которая прозрачна как для частот оптического диапазона, так и для частот генерируемых в ней электромагнитных колебаний или волн радио- или более низкочастотного диапазона, преобразованную энергию генерируемых в данной нелинейной среде без центра инверсии электромагнитных колебаний или волн радио- или более низкочастотного диапазона накапливают с помощью одного или нескольких электромагнитных резонаторов, резонансная частота которых совпадает с частотой генерируемых электромагнитных колебаний или волн радио- или более низкочастотного диапазона и равна либо кратна частоте модуляции, при этом осуществляют условие синхронизма для взаимодействующих в данной нелинейной среде без центра инверсии гармоник модулированного оптического излучения и генерируемых электромагнитных колебаний или волн радио- или более низкочастотного диапазона, энергия которых накапливается с помощью одного или нескольких резонаторов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют преобразование в энергию электромагнитных колебаний или волн СВЧ или более низкочастотного диапазона и передают преобразованную и накопленную энергию с помощью излучающей антенны через свободное пространство.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют преобразование в энергию электромагнитных колебаний или волн СВЧ или более низкочастотного диапазона, затем преобразованную и накопленную энергию СВЧ или более низкочастотного диапазона дополнительно с помощью выпрямителей преобразуют в энергию низкочастотных электромагнитных колебаний промышленной частоты или любой сколь угодно малой частоты.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что модуляцию осуществляют по фазе или частоте гармоническими колебаниями.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве нелинейной среды без центра инверсии используют квадратичную нелинейную среду.

6. Способ по п.1 или 5, отличающийся тем, что в качестве нелинейной среды без центра инверсии используют кристаллический кварц.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве нелинейной среды без центра инверсии используют кубичную нелинейную среду, помещенную в постоянное электрическое поле.

8. Способ по п.1 или 7, отличающийся тем, что в качестве нелинейной среды без центра инверсии используют кубичную нелинейную среду, помещенную в постоянное электрическое поле, у которой одна из собственных частот перехода равна или близка, либо кратна частоте генерируемых в этой среде колебаний или волн, энергия которых накапливается с помощью резонаторов.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве нелинейной среды без центра инверсии используют нелинейную среду без центра инверсии, дополнительно обладающую отрицательным поглощением на частоте генерируемых в этой среде колебаний или волн, энергия которых накапливается с помощью резонаторов.

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве нелинейной среды без центра инверсии используют нелинейную среду без центра инверсии, размер которой вдоль направления распространения модулированного оптического излучения не превышает длину когерентного взаимодействия.

11. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве нелинейной среды без центра инверсии используют набор нецентросимметричных кристаллов, соприкасающихся между собой, размер которых вдоль направления распространения модулированного оптического излучения не превосходит длину когерентного взаимодействия, при этом нецентросимметричные кристаллы ориентированы друг относительно друга так, чтобы волны нелинейной поляризации в кристаллах каждый раз при прохождении в другой кристалл испытывали скачок фазы на .

12. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве нелинейной среды без центра инверсии используют нелинейную среду без центра инверсии с волоконной или волноводной геометрией.

13. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве резонаторов используют один резонатор СВЧ-диапазона, а нелинейную среду без центра инверсии размещают внутри него.

14. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве резонаторов используют один резонатор СВЧ-диапазона, а нелинейную среду без центра инверсии размещают вне этого резонатора, при этом преобразованную энергию генерируемых в этой среде колебаний или волн подводят к резонатору.

15. Способ по п.1 или 14, отличающийся тем, что между нелинейной средой без центра инверсии и резонатором располагают развязывающее вентильное устройство.

16. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве резонатора используют один СВЧ-резонатор с емкостным зазором, а нелинейную среду без центра инверсии размещают в этом зазоре.

17. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве резонатора используют колебательный контур, при этом нелинейную среду без центра инверсии размещают между обкладками конденсатора данного колебательного контура.

18. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве резонатора используют сверхпроводящий резонатор.

19. Способ по п.1, отличающийся тем, что накопление преобразованной энергии осуществляют путем последовательного расположения по ходу распространения промодулированного оптического излучения нескольких участков нелинейной среды без центра инверсии с соответствующими этим участкам резонаторами, накапливающими преобразованную на каждом из участков данной среды энергию.

20. Способ по п.1, отличающийся тем, что накопление осуществляют путем многократного прохождения модулированного оптического излучения по замкнутому контуру через один и тот же участок нелинейной среды без центра инверсии с соответствующим резонатором, накапливающим энергию, преобразованную на этом участке среды.

21. Способ по п. 1, отличающийся тем, что накопление преобразованной энергии осуществляют с помощью нескольких резонаторов с одной и той же резонансной частотой, при этом резонаторы объединяют в каскады через вентильные элементы, пропускающие накапливаемую преобразованную энергию в одном направлении от резонатора предыдущего каскады к резонатору последующего каскада, причем нелинейную среду без центра инверсии располагают как внутри резонатора первого каскада, так и вне его.

22. Способ по п.1, отличающийся тем, что модуляцию оптического излучения и преобразование энергии в виде генерации электромагнитных колебаний или волн осуществляют в одной и той же нелинейной среде без центра инверсии, обладающей электрооптическими свойствами.

23. Способ по п.1, отличающийся тем, что преобразование энергии осуществляют в одной и той же нелинейной среде без центра инверсии, обладающей дополнительно электрооптическими и пьезоэлектрическими свойствами, при этом собственная частота упругих колебаний данной среды должна совпадать с частотой генерируемых в этой среде электромагнитных колебаний или волн, а в качестве резонатора используют пьезоэлектрический резонатор, частью которого и является данная среда.

24. Способ по п.1, отличающийся тем, что модуляцию осуществляют высокочастотными электромагнитными колебаниями, подлежащими усилению, при этом резонансную частоту одного или нескольких резонаторов выбирают равной частоте модуляции.

25. Способ по п.1 или 24, отличающийся тем, что осуществляют положительную обратную связь с помощью цепи обратной связи между преобразованными колебаниями, энергия которых накапливается в резонаторе, и модулирующими электромагнитными колебаниями.

26. Способ по п. 1 или 24, отличающийся тем, что резонансную частоту одного или нескольких резонаторов выбирают кратной частоте модуляции.

27. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве оптического излучения используют лазерное излучение непрерывного действия.

28. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве оптического излучения используют лазерное излучение импульсного действия при условии, что время длительности импульса существенно превосходит период модулирующих колебаний.

29. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве оптического излучения используют излучение Солнца.

30. Способ по п.29, отличающийся тем, что осуществляют преобразование энергии на космическом объекте с последующей передачей преобразованной энергии электромагнитных волн СВЧ-диапазона на Землю, при этом частоту модуляции солнечного излучения подбирают так, чтобы резонансная частота одного или нескольких резонаторов находилась в пределах частотного диапазона прозрачности атмосферы.

31. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют оптические системы для фокусировки оптического излучения и придания пучку промодулированного оптического излучения заранее заданной формы при его распространении в нелинейной среде без центра инверсии.

32. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют параллельное преобразование энергии нескольких потоков оптического излучения одновременно, при этом преобразованную и накопленную энергию от каждого потока оптического излучения направляют в один общий канал для передачи результирующей преобразованной энергии от всех потоков оптического излучения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области преобразования энергии оптического излучения с произвольной шириной спектра в энергию электромагнитных колебаний или волн радиодиапазона, например СВЧ (сверхвысокочастотного) диапазона, а также в энергию электромагнитных колебаний более низкочастотного диапазона, в частности в энергию электромагнитных (электрических) колебаний промышленной частоты (т.е. в энергию переменного тока) или сколь угодно малой частоты (т.е. в энергию постоянного тока).

Изобретение может найти применение для преобразования энергии солнечного излучения в электромагнитную энергию СВЧ диапазона или в энергию переменного или постоянного тока (т.е. в гелиоэнергетике), а также при разработке мощных параметрических СВЧ усилителей и генераторов на лазерной накачке.

Известен способ преобразования энергии оптического излучения с произвольной шириной спектра в энергию постоянного или переменного тока, а также в энергию электромагнитных колебаний или волн радиодиапазона с помощью фотоэмиссионных преобразователей, включающий в себя облучение оптическим излучением среды, в данном случае среды (материала) катода преобразователя, в которой происходит преобразование энергии оптического излучения в виде нагрева этой среды (материала) катода и испускания (эмиссии) электронов [1].

Для преобразования данным способом энергии оптического излучения в энергию электромагнитных колебаний или волн радиодиапазона электрический сигнал с фотоэмиссионного преобразователя с помощью генераторов радиодиапазона, в частности СВЧ диапазона, преобразуют в энергию колебаний или волн радио-диапазона.

Однако этот способ обладает малым КПД (коэффициентом полезного действия) рассматриваемого преобразования энергии.

Известен фотоэлектрический способ преобразования энергии оптического излучения с произвольной шириной спектра, принятый нами за прототип, включающий в себя облучение оптическим излучением среды, в которой происходит преобразование энергии оптического излучения [3]. Этот способ позволяет осуществлять преобразование энергии оптического излучения с произвольной шириной спектра как в электрическую энергию постоянного или переменного тока, так и в энергию электромагнитных колебаний или волн радиодиапазона, в частности СВЧ диапазона. Причем эффективность данного преобразования энергии в этом способе выше, чем в предыдущем.

Преобразование световой энергии в энергию постоянного или переменного тока с помощью фотоэлектрического способа основано на фотовольтаическом эффекте, который возникает в неоднородных полупроводниковых средах при их облучении оптическим излучением. Так, например, если два полупроводника (n-полупроводник и p-полупроводник) соприкасаются, то при освещении контактной поверхности между ними возникает ЭДС и, как следствие этого, возникает электрический ток при замыкании цепи и к потребителю поступает электрическая энергия.

Подобный способ позволяет преобразовывать как энергию монохроматического оптического излучения, так и энергию оптического излучения с широким спектром, например солнечного излучения.

Для преобразования фотоэлектрическим способом световой энергии в электромагнитную энергию радиодиапазона, в частности СВЧ диапазона, необходимо электрический сигнал с фотоэлемента (или солнечного элемента) с помощью генератора радиодиапазона преобразовать в колебания или волны радиодиапазона.

Подобное преобразование энергии планируется использовать в будущем при эксплуатации солнечных космических электростанций для передачи преобразованной энергии на Землю. С этой целью электрический ток от солнечных элементов, расположенных на спутниковой солнечной электростанции, с помощью СВЧ генераторов преобразуется в полезное СВЧ излучение, которое при помощи бортовой антенны направляется на Землю.

Недостаток данного фотоэлектрического способа преобразования энергии оптического излучения с произвольной шириной спектра такой же как и у предыдущего способа и состоит в невысоком КПД (коэффициенте полезного действия) преобразования энергии оптического излучения с широким спектром, в частности солнечного излучения, как в энергию постоянного или переменного тока, так и в электромагнитную энергию радиодиапазона, который, как правило, не превышает 20%.

Предложенное изобретение решает задачу повышения КПД при преобразовании энергии оптического излучения с произвольной шириной спектра, в том числе оптического излучения с широким спектром, в электромагнитную энергию радио- или более низкочастотного диапазона, в частности в энергию СВЧ диапазона, или в энергию переменного или постоянного тока.

Указанная цель достигается тем, что в известном способе преобразования энергии оптического излучения с произвольной шириной спектра, включающем в себя облучение оптическим излучением среды, в которой происходит преобразование энергии оптического излучения, новым является то, что оптическое излучение модулируют во времени колебаниями постоянной частоты радио- или более низкочастотного диапазона таким образом, чтобы в частотном спектре модулированного оптического излучения каждой несущей частоте исходного немодулированного оптического излучения (т.е. каждой частоте оптического излучения до модуляции) соответствовало множество частот, равноотстоящих друг от друга на частоту модуляции, в качестве среды используют нелинейную среду без центра инверсии, в которой происходит преобразование энергии промодулированного оптического излучения в виде генерации электромагнитных колебаний или волн радио- или более низкочастотного диапазона, и которая прозрачна как для частот оптического диапазона, так и для частот генерируемых в ней электромагнитных колебаний или волн, преобразованную энергию генерируемых в данной среде электромагнитных колебаний или волн радио- или более низкочастотного диапазона накапливают с помощью одного или нескольких электромагнитных резонаторов, резонансная частота которых совпадает с частотой генерируемых электромагнитных колебаний или волн и равна либо кратна частоте модуляции, при этом осуществляют условие синхронизма для взаимодействующих в данной среде гармоник (спектральных составляющих) модулированного оптического излучения и генерируемых колебаний или волн, энергия которых накапливается с помощью одного или нескольких резонаторов.

В данном случае более высокий КПД преобразования энергии оптического излучения в энергию электромагнитных колебаний или волн радио- или более низкочастотного диапазона достигается за счет синфазных взаимодействий в прозрачной нелинейной среде без центра инверсии между множеством гармоник (спектральных составляющих) промодулированного оптического излучения и генерируемых в данной среде колебаний или волн радио- или более низкочастотного диапазона с последующим накоплением энергии генерируемых в среде колебаний или волн с помощью электромагнитных резонаторов высокой добротности вышеуказанным образом.

Чем выше добротность резонаторов, накапливающих преобразованную энергию, тем эффективнее протекает процесс преобразования энергии и тем больше величина КПД данного преобразования.

В предлагаемом способе в прозрачной нелинейной среде без центра инверсии при ее облучении и распространении в ней промодулированного оптического излучения, происходит непосредственное преобразование энергии промодулированного оптического излучения в электромагнитную энергию радио- или более низкочастотного диапазона в виде генерации в данной среде электромагнитных колебаний или волн с частотой равной либо кратной частоте модуляции.

При размере L_о нелинейной среды без центра инверсии вдоль направления распространения промодулированного оптического излучения много меньшем длины волны генерируемого в данной среде и накапливаемого с помощью резонаторов электромагнитного излучения радио- или более низкочастотного диапазона, можно считать, что в данной среде происходит генерация электромагнитных колебаний радио- или более низкочастотного диапазона.

При размере нелинейной среды без центра инверсии L_о, соизмеримым либо большем длины волны генерируемого в данной среде и накапливаемого с помощью резонаторов электромагнитного излучения, можно считать, что в данной среде происходит генерация электромагнитных волн.

Если резонансная частота резонаторов равна частоте модуляции и условие синхронизма осуществляют для взаимодействующих в нелинейной среде без центра инверсии гармоник модулированного оптического излучения и генерируемых в среде электромагнитных колебаний или волн с частотой, совпадающей с частотой модуляции, то энергия оптического излучения будет преобразована предлагаемым способом в энергию электромагнитных колебаний или волн с частотой, равной частоте модуляции и совпадающей с резонансной частотой.

Если резонансная частота резонаторов кратна частоте модуляции и условие синхронизма осуществляют для взаимодействующих в нелинейной среде без центра инверсии гармоник модулированного оптического излучения и генерируемых электромагнитных колебаний или волн с частотой, кратной частоте модуляции и совпадающей с резонансной частотой резонаторов, то энергия оптического излучения будет преобразована в энергию электромагнитных колебаний или волн с частотой, кратной частоте модуляции и совпадающей с резонансной частотой.

Исходное оптическое излучение, энергия которого преобразуется вышеуказанным способом, может быть как непрерывного действия, так и импульсного действия. В случае оптического излучения импульсного действия необходимо, чтобы время длительности импульса T_i существенно превосходило период модулирующих колебаний T_мод (T_i>T_мод).

Ширина спектра преобразуемого оптического излучения в предлагаемом изобретении может быть произвольной. Таким образом, в качестве преобразуемого оптического излучения может использоваться монохроматическое или квазимонохроматическое излучение, а также излучение с широким спектром.

В качестве нелинейных сред без центра инверсии могут использоваться квадратичные нелинейные среды (среды с квадратичной нелинейностью), а также кубичные нелинейные среды (среды с кубичной нелинейностью), помещенные в постоянное электрическое (или магнитное) поле.

К квадратичным нелинейным средам относятся нецентросимметричные кристаллы, например, кристаллы кварца (SiO₂), KDP (KH₂PO₄), мочевины (CO(NH₂)₂)) и др.

Кубичная нелинейность характерна для диэлектрических сред, обладающих центром инверсии: центросимметричные кристаллы, газы, жидкости.

Однако постоянное электрическое (или магнитное) поле, поляризуя изотропную среду, лишает ее центра инверсии.

Поэтому кубичная нелинейная среда, помещенная в постоянное электрическое (или магнитное) поле, также является нелинейной средой без центра инверсии.

Нелинейные среды без центра инверсии, используемые в изобретении, для эффективного преобразования энергии предлагаемым способом должны быть прозрачны как для частот оптического излучения, так и для частот колебаний или волн радио- или более низкочастотного диапазона, генерируемых в данной среде и накапливаемых по мощности с помощью одного или нескольких резонаторов. Реальные нелинейные среды без центра инверсии, в частности кристалл кварца, обладают конечным оптическим диапазоном прозрачности и могут быть также прозрачны для частот радио- или более низкочастотного диапазона. Чем шире оптический диапазон прозрачности данной среды, тем эффективней протекает данное преобразование энергии и тем выше КПД этого преобразования.

Геометрия формы нелинейных сред без центра инверсии в данном изобретении может быть разная. В рассматриваемом случае наряду с объемными протяженными нелинейными средами могут использоваться нелинейные среды с волоконной или волноводной геометрией, т.е. среды с поперечными размерами, соизмеримыми с длиной волны оптического излучения.

Для осуществления модуляции исходного оптического излучения в предлагаемом изобретении можно использовать следующие виды модуляции: модуляцию исходного оптического излучения по фазе или частоте колебаниями постоянной частоты радио- или более низкочастотного диапазона, в том числе гармоническими колебаниями; модуляцию по амплитуде периодическими негармоническими колебаниями, импульсную модуляцию.

При этих видах модуляции выполняется основное условие, предъявляемое к модуляции исходного оптического излучения в данном изобретении, а именно: в частотном спектре промодулированного оптического излучения каждой несущей частоте исходного оптического немодулированного излучения (т.е. каждой частоте исходного излучения до модуляции) соответствует множество частот, равноотстоящих друг от друга на частоту модуляции.

Для эффективного преобразования энергии исходного оптического излучения предлагаемым способом необходимо осуществлять условие синхронизма для взаимодействующих в данной нелинейной среде гармоник (спектральных составляющих) промодулированного оптического излучения и колебаний или волн, генерируемых в этой среде, энергия которых накапливается с помощью одного или нескольких резонаторов (частота этих генерируемых и накапливаемых колебаний или волн совпадает с резонансной частотой резонаторов и может быть равна либо кратна частоте модуляции).

В данном случае условие синхронизма - это условие эффективного обмена энергией при взаимодействии в нелинейной среде без центра инверсии гармоник (спектральных составляющих) промодулированного исходного излучения и генерируемых в этой среде колебаний или волн радио- или более низкочастотного диапазона, заключающееся в сохранении определенных фазовых соотношений между гармониками и генерируемыми колебаниями или волнами на всей области взаимодействия. В частности, условие синхронизма осуществляется, когда набег фаз на всей области взаимодействия гармоник модулированного оптического излучения и генерируемых колебаний или волн относительно друг друга не превышает (180^o).

В предлагаемом изобретении всегда существует определенный размер нелинейной среды без центра инверсии вдоль направления распространения промодулированного оптического излучения: L_о L_ког ( где L_ког - длина когерентного взаимодействия или длина когерентности), на котором условие синхронизма выполняется автоматически без принятия специальных мер.

На этом расстоянии L_о L_ког набег фаз всех взаимодействующих гармоник модулированного оптического излучения и генерируемых в данной среде колебаний или волн относительно друг друга не превышает (180^o).

Для осуществления условия синхронизма при размерах нелинейной среды без центра инверсии вдоль направления распространения промодулированного оптического излучения L_о>L_ког, необходимо выполнять специальные меры. С этой целью, например, данная нелинейная среда может представлять собой набор соприкасающихся нецентросимметричных кристаллов, размером L_ког, ориентированных друг относительно друга так, чтобы волны нелинейной поляризации каждый раз при прохождении в другой кристалл испытывали скачок фазы на (180^o).

В качестве электромагнитных резонаторов, с помощью которых осуществляют накопление энергии генерируемых в нелинейной среде без центра инверсии колебаний или волн радио- или более низкочастотного диапазона, можно использовать либо объемные СВЧ резонаторы при преобразовании в электромагнитную энергию СВЧ диапазона, либо колебательные контуры при преобразовании в электромагнитную энергию более низкочастотной части радиодиапазона, а также пьезоэлектрические резонаторы, в частности, кварцевые резонаторы, диэлектрические резонаторы и т.п.

Частным случаем данного изобретения является преобразование энергии оптического излучения с произвольной шириной спектра в энергию электромагнитных колебаний или волн СВЧ диапазона. При этом с помощью излучающей антенны преобразованную СВЧ энергию можно передавать через свободное пространство. Данное преобразование можно использовать при разработке систем беспроводной передачи энергии через свободное пространство, например наземных энергосистем, расположенных в труднодоступной местности.

Еще одним важным частным случаем данного изобретения является преобразование энергии оптического излучения с произвольной шириной спектра в энергию электромагнитных колебаний низкой частоты, в частности, в энергию электромагнитных (электрических) колебаний промышленной частоты (т.е. в энергию переменного тока) и в энергию электромагнитных (электрических) колебаний сколь угодно малой частоты (т.е. в энергию постоянного тока).

Для более эффективного подобного преобразования энергии можно преобразовывать вышеуказанным способом энергию оптического излучения в энергию электромагнитных колебаний или волн радиодиапазона, в частности СВЧ диапазона, а затем дополнительно использовать выпрямительные устройства, например СВЧ выпрямители, позволяющие путем выпрямления преобразовывать электромагнитную энергию колебаний или волн радиодиапазона, в частности СВЧ диапазона, в энергию постоянного или переменного тока.

Из всех видов модуляции исходного оптического излучения самым простым и эффективным является модуляция по фазе или частоте гармоническими колебаниями постоянной частоты радио- или более низкочастотного диапазона.

В качестве нелинейной среды без центра инверсии в данном изобретении могут использоваться квадратичные нелинейные среды, к которым относятся нецентросимметричные кристаллы.

В частности, квадратичной нелинейной средой является кристаллический кварц. Технология выращивания искусственных кристаллов кварца хорошо разработана. Кроме того, кристаллический кварц прозрачен как для исходного оптического излучения (оптический диапазон прозрачности кварца: от ₁ = 0,15 мкм до ₂ = 4,5 мкм), так и для СВЧ излучения. Поэтому кристаллический кварц является перспективным материалом для использования в данном изобретении при преобразовании энергии оптического излучения с произвольной шириной спектра в энергию колебаний или волн радиодиапазона, в частности СВЧ диапазона.

Как уже отмечалось, при использовании в данном изобретении сред с кубичной нелинейностью необходимо наличие постоянного электрического поля, приложенного к данной среде или, что то же самое, кубичная нелинейная среда должна быть помещена в постоянное электрическое поле.

В этом случае данное преобразование энергии протекает гораздо эффективнее, если частота одного из разрешенных переходов в данной среде равна или близка, либо кратна частоте колебаний или волн, генерируемых в среде, энергия которых накапливается с помощью резонаторов (частота этих генерируемых в среде колебаний или волн совпадает с резонансной частотой резонаторов). В рассматриваемом случае происходит резонансное возрастание кубичной нелинейной восприимчивости на данной частоте, что и приводит к увеличению эффективности данного преобразования энергии.

Нелинейные среды без центра инверсии, такие как среды с квадратичной нелинейностью или среды с кубичной нелинейностью, помещенные в постоянное электрическое (или магнитное) поле, могут дополнительно обладать отрицательным поглощением на частоте колебаний или волн, генерируемых в данной среде и накапливаемых с помощью резонаторов, т.е. обладать отрицательным поглощением на резонансной частоте резонаторов. Отрицательное поглощение образуется за счет создания инверсии населенностей между соответствующими уровнями в среде. В этом случае в предлагаемом изобретении генерируемые в нелинейной среде колебания или волны будут дополнительно усиливаться за счет отрицательного поглощения, вызванного активностью среды на данной частоте.

В предлагаемом изобретении с целью осуществления условия синхронизма для взаимодействующих в нелинейной среде без центра инверсии гармоник модулированного оптического излучения и генерируемых в среде колебаний или волн с частотой, совпадающей с резонансной частотой резонаторов, энергия которых накапливается с помощью данных резонаторов, можно использовать нелинейную среду, размер которой L_о вдоль направления распространения модулированного оптического излучения не превышает длину когерентного взаимодействия (или длину когерентности) L_ког, т.е. L_о L_ког. Длина когерентного взаимодействия L_ког - это максимально допустимый размер нелинейной среды без центра инверсии, на котором набег фаз всех взаимодействующих гармоник модулированного оптического излучения и генерируемых в данной среде колебаний или волн относительно друг друга не превышает (180^o).

В этом случае условие синхронизма будет выполняться без принятия специальных мер, т.е. автоматически.

Таким образом, условие синхронизма возможно осуществить путем выбора размера нелинейной среды L_о L_ког.

В частности, для взаимодействующих в нелинейной среде без центра инверсии гармоник модулированного лазерного излучения и генерируемых в этой среде колебаний или волн с частотой, совпадающей с частотой модуляции, длина когерентного взаимодействия L_ког определяется выражением (2) (см. пример 1).

Для осуществления условия синхронизма при размерах нелинейной среды без центра инверсии вдоль направления распространения модулированного оптического излучения: L_о > L_ког, необходимо выполнять специальные меры. С этой целью данная нелинейная среда может представлять собой набор нецентросимметричных кристаллов, например кристаллов кварца, размером вдоль направления распространения модулированного оптического излучения L_кр L_ког, соприкасающихся между собой или посаженных на оптический контакт, и ориентированных друг относительно друга так, чтобы волны нелинейной поляризации (возникающие в кристаллах и являющиеся источником генерируемых в кристаллах колебаний или волн радио- или более низкочастотного диапазона) каждый раз при прохождении в другой кристалл испытывали скачок фазы на (180^o).

Если такая нелинейная среда состоит из m-кристаллов, размером L_кр L_ког каждый, то общий размер среды L_о, на котором будет осуществляться условие синхронизма будет равен:

L_o = mL_кр >> L_ког

Большие напряженности оптических полей в нелинейных средах без центра инверсии с волноводной или волоконной геометрией, достигаемые при достаточно низких уровнях мощности исходного оптического излучения, а также возможности управления дисперсией (т.е. возможности осуществления условия синхронизма на достаточно протяженной области взаимодействия в данной среде размером L_о > L_ког) позволяют, по сравнению с объемными протяженными нелинейными средами, получать те же КПД преобразования энергии при более низких значениях добротностей резонаторов, либо увеличивать эффективность данного преобразования энергии при тех же значениях добротностей резонаторов.

При преобразовании предлагаемым способом энергии оптического излучения в энергию колебаний или волн СВЧ диапазона можно использовать один объемный СВЧ резонатор, а данную нелинейную среду, облучаемую промодулированным оптическим излучением, размещать внутри этого объемного резонатора СВЧ диапазона, например прямоугольного СВЧ резонатора. В данном случае размер нелинейной среды без центра инверсии вдоль направления распространения промодулированного оптического излучения совпадает с размером прямоугольного СВЧ резонатора, поскольку среда заполняет резонатор, и этот размер, как правило, меньше L_ког. В результате условие синхронизма будет выполняться автоматически без принятия специальных мер.

Данную нелинейную среду можно размещать вне резонатора СВЧ диапазона, при этом энергию генерируемых в среде электромагнитных колебаний или волн отводят из среды и подводят к резонатору, в котором происходит процесс накопления этой энергии.

В этом случае для развязки данной нелинейной среды и резонатора и предотвращения утечки накопленной энергии из резонатора обратно в среду можно использовать развязывающие вентильные устройства, обеспечивающие однонаправленную передачу энергии, например ферритовые вентили.

В рассматриваемом случае необходимо обеспечивать выполнение условия синхронизма для взаимодействующих в нелинейной среде без центра инверсии гармоник модулированного оптического излучения и колебаний или волн, генерируемых в данной среде и накапливаемых с помощью резонатора. С этой целью можно использовать нелинейную среду размером L_о L_ког вдоль направления распространения модулированного оптического излучения, либо нелинейную среду в виде набора нецентросимметричных кристаллов, размером L_кр L_ког каждый, посаженных на оптический контакт и ориентированных друг относительно друга вышеупоминавшимся образом.

Геометрия нелинейной среды без центра инверсии в данном случае может иметь не только объемный протяженный характер, но и волноводный или волоконный характер.

С целью снижения потерь, возникающих при отводе из нелинейной среды без центра инверсии энергии колебаний или волн, генерируемых в этой среде, и подводе этой энергии к резонатору, можно использовать объемный СВЧ резонатор с емкостным зазором, в котором размещается данная нелинейная среда, облучаемая оптическим промодулированным излучением, например тороидальный СВЧ резонатор.

В этом случае также, как и в предыдущих, для осуществления условия синхронизма между всеми взаимодействующими в данной нелинейной среде волнами можно использовать нелинейную среду без центра инверсии, размером L_о L_ког, вдоль направления распространения модулированного оптического излучения, либо нелинейную среду без центра инверсии, в виде набора нецентросимметричных кристаллов, размером L_кр L_ког каждый, посаженных на оптический контакт и ориентированных друг относительно друга вышеупоминавшимся образом, либо использовать нелинейные среды с волоконной или волноводной геометрией.

При преобразовании энергии исходного оптического излучения в энергию низкочастотной части радиодиапазона в качестве резонаторов можно использовать колебательные контуры, между обкладками конденсатора которого размещают нелинейную среду без центра инверсии, облучаемую модулированным оптическим излучением.

КПД данного преобразования энергии зависит от величины добротности резонатора, и для получения высоких КПД преобразования в рассмотренных случаях накопления преобразованной энергии с помощью одного резонатора можно использовать резонаторы с очень высокой добротностью, в частности сверхпроводящие резонаторы с добротностью Q > 10⁹ (криоэлектронные сверхпроводящие резонаторы).

Для достижения высоких КПД данного преобразования энергии при невысоких значениях добротностей резонаторов можно использовать последовательное расположение по ходу распространения промодулированного оптического излучения нескольких участков нелинейной среды с соответствующими этим участкам резонаторами, накапливающими преобразованную на каждом из участков среды энергию. В этом случае модулированное оптическое излучение проходит через первый участок нелинейной среды без центра инверсии с соответствующим резонатором, в результате на этом участке с помощью предлагаемого способа происходит преобразование части энергии промодулированного оптического излучения в электромагнитную энергию радио- или более низкочастотного диапазона. Оставшаяся непреобразованная часть энергии промодулированного оптического излучения испытывает дальнейшее преобразование на следующем участке нелинейной среды (расположенном по ходу распространения промодулированного оптического излучения) с соответствующим резонатором, в котором осуществляется накопление преобразованной энергии вышеуказанным образом и т.д. Размеры участков нелинейных сред без центра инверсии в рассматриваемом случае подбирают из соображений осуществления условия синхронизма для взаимодействующих в среде гармоник промодулированного оптического излучения и данных колебаний или волн, генерируемых в среде, энергию которых накапливают с помощью резонатора.

Высокие значения КПД данного преобразования энергии при невысоких значениях добротности резонаторов можно также добиться, используя многократное прохождение модулированного оптического излучения по замкнутому контуру через один и тот же участок нелинейной среды без центра инверсии, а накопление преобразованной энергии производить в соответствующем этому участку резонаторе вышеуказанным образом.

В этом случае многократное прохождение модулированного оптического излучения по замкнутому контуру через один и тот же участок нелинейной среды можно обеспечить с помощью оптических элементов типа зеркал, призм, оптических волокон и т.п.

Для накопления преобразованной энергии можно использовать несколько резонаторов, объединенных в каскады, с одной и той же резонансной частотой, равной либо кратной частоте модуляции и совпадающей с частотой данных колебаний или волн, генерируемых в нелинейной среде без центра инверсии. Нелинейная среда без центра инверсии может располагаться как внутри резонатора первого каскада, так и вне его. В рассматриваемом случае энергия генерируемых в данной среде колебаний или волн накапливается в первом резонаторе невысокой добротности (резонаторе первого каскада). Затем накопленная в первом резонаторе преобразованная энергия подводится ко второму резонатору (резонатору второго каскада) с той же резонансной частотой, где процесс накопления преобразованной энергии радио- или более низкочастотного диапазона продолжится. Из резонатора второго каскада накопленная преобразованная энергия может подводиться к резонатору третьего каскада и т.д. Для предотвращения влияния каждого последующего резонатора на предыдущий можно использовать развязывающие вентили, пропускающие преобразованную энергию только в одном направлении от резонатора предыдущего каскада к резонатору последующего каскада, например, ферритовые вентили.

Некоторые нелинейные среды без центра инверсии, например, кристаллический кварц, дополнительно обладают выраженными электрооптическими свойствами. В этом случае модуляцию оптического излучения и генерацию колебаний или волн радио- или более низкочастотного диапазона можно осуществлять в одной и той же нелинейной среде без центра инверсии. То есть одна и та же данная нелинейная среда может являться за счет электрооптических свойств средой электрооптического модулятора, осуществляющего модуляцию исходного оптического излучения по фазе (или частоте), в частности, средой для электрооптического модулятора бегущей волны, а также средой, в которой происходит генерация колебаний или волн радио- или более низкочастотного диапазона за счет наличия соответствующих нелинейных свойств. При этом процессы модуляции оптического излучения и генерации колебаний или волн радио- или более низкочастотного диапазона могут протекать параллельно.

Более того, если нелинейная среда без центра инверсии, например кристаллический кварц, обладает электрооптическими свойствами, нелинейностью и пьезоэлектрическими свойствами, то в одной среде можно осуществить все этапы данного способа преобразования энергии, а именно: модуляцию оптического излучения, генерацию колебаний или волн радио- или более низкочастотного диапазона и накопление преобразованной энергии данных колебаний или волн за счет пьезоэлектрических свойств среды при совпадении частоты генерируемых колебаний или волн, энергия которых должна накапливаться, с собственной частотой механических колебаний данной среды. В этом случае одна и та же среда за счет электрооптических свойств может являться средой электрооптического модулятора, осуществляющего модуляцию оптического излучения по фазе (или частоте) вышеуказанным образом, средой, в которой происходит генерация колебаний или волн радио- или более низкочастотного диапазона за счет соответствующих нелинейных свойств и средой пьезоэлектрического резонатора, в котором может осуществляться накопление преобразованной энергии. При этом процессы модуляции, генерации и накопления преобразованной энергии могут протекать параллельно.

Предлагаемое изобретение позволяет осуществлять усиление, генерацию и умножение частот высокочастотных электромагнитных колебаний, в частности колебаний СВЧ диапазона.

Для усиления с помощью предлагаемого способа высокочастотного сигнала, представляющего собой высокочастотные электромагнитные колебания, формируемые от независимого высокочастотного генератора, необходимо этими колебаниями осуществлять модуляцию исходного оптического излучения, при этом резонансная частота резонаторов, накапливающих преобразованную энергию, должна совпадать с частотой модуляции, т.е. с частотой усиливаемых исходных колебаний. При выводе накопленной преобразованной энергии из резонатора получают высокочастотные колебания более мощные, чем исходные и той же частоты, т.е. происходит усиление исходных высокочастотных колебаний, которыми модулируют оптическое излучение.

В данном случае усиление высокочастотных электромагнитных колебаний, которыми модулируют оптическое излучение, происходит за счет преобразования энергии оптического излучения в энергию высокочастотных электромагнитных колебаний с частотой, равной частоте модуляции и совпадающей с резонансной частотой.

Для самовозбуждения, т.е. для генерации электромагнитных высокочастотных колебаний, в частности колебаний СВЧ диапазона, в вышеописанном случае усиления колебаний, достаточно с помощью цепи обратной связи осуществлять положительную обратную связь между резонатором, в котором происходит накопление преобразованной энергии (выходом схемы усиления) и колебаниями, модулирующими оптическое излучение (входом модулятора или входом схемы усиления). С этой целью часть преобразованной и накопленной в резонаторе энергии передают на вход модулятора для модуляции исходного оптического излучения, т.е. используют часть преобразованной энергии для формирования модулирующего сигнала.

Для умножения частот, т.е. увеличения в целое число раз частоты высокочастотных колебаний, в вышеописанном случае усиления электромагнитных колебаний, резонансную частоту резонатора подбирают кратной частоте модуляции. В этом случае с помощью предлагаемого способа преобразования происходит преобразование энергии оптического излучения в энергию высокочастотных колебаний с частотой, кратной частоте модуляции и совпадающей с резонансной частотой. В результате при выводе накопленной преобразованной энергии из резонатора получают электромагнитные колебания с частотой, в целое число раз превышающей частоту исходных электромагнитных колебаний, которыми модулируют оптическое излучение, т.е. осуществляют умножение частот.

В изобретении в качестве исходного оптического излучения можно использовать лазерное излучение. Такие характеристики лазерного излучения как малая угловая расходимость, высокая мощность излучения при использовании лазеров большой мощности делают лазерное излучение эффективным для данного преобразования энергии.

В предлагаемом изобретении можно использовать как излучение лазеров непрерывного действия, так и импульсного действия.

При использовании излучения лазеров импульсного действия необходимо, чтобы время длительности импульса T_i лазерного излучения существенно превосходило период модулирующих колебаний постоянной частоты Т_мод (T_i > Т_мод), где - циклическая частота модуляции.

В качестве исходного оптического излучения в предлагаемом способе преобразования энергии может использоваться солнечное излучение.

Данное изобретение позволяет осуществить преобразование энергии Солнечного излучения на поверхности Земли в энергию электромагнитных колебаний или волн радио- или более низкочастотного диапазона, в частности в электромагнитную энергию СВЧ диапазона, а также в энергию переменного или постоянного тока.

Еще одним важным частным случаем является преобразование энергии солнечного излучения в электромагнитную энергию радио- или более низкочастотного диапазона, в частности СВЧ диапазона, предлагаемым способом на космическом объекте, размещенном, например на геосинхронной (или солнечно-синхронной) орбите, и передача полученной в результате преобразования энергии СВЧ излучения на Землю или на другие космические объекты, где оно улавливается специальной антенной и может преобразовываться далее с помощью выпрямительных устройств, например СВЧ выпрямителей, в электрическую энергию постоянного или переменного тока.

В этом случае для передачи преобразованной энергии на Землю частоту модуляции солнечного излучения подбирают так, чтобы резонансная частота одного или нескольких резонаторов, равная либо кратная частоте модуляции, находилась в пределах частотного диапазона прозрачности атмосферы. В результате частотный диапазон преобразованной СВЧ энергии будет находиться в пределах частотного диапазона прозрачности атмосферы и передача преобразованной СВЧ энергии на Землю будет происходить с минимальными потерями.

С целью повышения эффективности функционирования данного способа преобразования энергии и снижения требований к добротностям резонаторов при преобразовании и накоплении энергии можно использовать вспомогательные оптические системы для фокусировки оптического излучения и придания этому излучению после модуляции заранее заданной формы при его распространении в нелинейной среде без центра инверсии.

Для увеличения энергии преобразуемого оптического излучения, осуществляют параллельное преобразование предлагаемым способом энергии нескольких потоков оптического излучения одновременно (например, с помощью нескольких модуляторов оптического излучения, нескольких участков нелинейных сред без центра инверсии с соответствующими этим участкам резонаторами), при этом все каналы для передачи преобразованной энергии от каждого потока оптического излучения (этими каналами могут являться коаксиальные кабели или волноводы) коммутируют в один общий канал (например, волновод или коаксиальный кабель) для передачи результирующей преобразованной энергии от всех потоков. В частности, одновременное преобразование предлагаемым способом энергии нескольких потоков солнечного излучения позволяет производить данное преобразование солнечной энергии с большей площади, т.е. позволяет увеличить энергию солнечного излучения, подлежащую преобразованию.

На чертежах приведены примеры преобразования энергии оптического излучения с произвольной шириной спектра в энергию электромагнитных колебаний или волн радио- или более низкочастотного диапазона предлагаемым способом.

На фиг. 1 показана основанная на данном изобретении схема преобразования энергии лазерного излучения в СВЧ энергию с помощью объемного СВЧ резонатора, в которым размещен кристалл кварца; на фиг.2 - схема преобразования энергии лазерного излучения в СВЧ энергию с использованием предлагаемого изобретения, в которой кристалл кварца расположен вне СВЧ резонатора; на фиг. 3 - схема преобразования энергии лазерного излучения предлагаемым способом в СВЧ энергию с помощью тороидального резонатора СВЧ диапазона, в емкостном зазоре которого размещен кристалл кварца; на фиг.4 - схема преобразования энергии лазерного излучения в СВЧ энергию с помощью нескольких участков нелинейной среды без центра инверсии (нескольких кристаллов кварца) с соответствующими этим участкам среды (кристаллам кварца) резонаторами, основанная на данном изобретении; на фиг.5 - схема, осуществляющая преобразование энергии лазерного излучения в СВЧ энергию путем многократного прохождения промодулированного лазерного излучения по замкнутому контуру с использованием предлагаемого изобретения, где: 1 - пучок лазерного излучения; 2 - модулятор; 3 - модулированное лазерное излучение; 4, 4" - кристаллы кварца; 5, 5"- электромагнитные резонаторы СВЧ диапазона; 6 - контакт, нанесенный на поверхность кристалла кварца; 7 - коаксиальный кабель (или волновод); 8 - полупрозрачное зеркало; 9, 10, 11 - зеркала.

Пример 1. Преобразование энергии лазерного излучения непрерывного действия в электромагнитную энергию СВЧ диапазона.

На фиг.1 исходное лазерное излучение непрерывного действия (1) с циклической частотой _o с помощью модулятора (2) модулируют по фазе (или частоте) гармоническими колебаниями постоянной частоты СВЧ диапазона.

Промодулированное лазерное излучение (3), которым облучают кристаллический кварц (4), распространяется в прозрачном кристалле кварца, помещенном в резонатор (5).

В схеме на фиг.1 в качестве резонатора (5) используется объемный прямоугольный резонатор СВЧ диапазона с резонансной частотой, совпадающей с частотой модуляции.

В качестве нелинейной среды без центра инверсии используется квадратичная нелинейная среда, а именно кристалл кварца.

Оптический диапазон прозрачности кристаллического кварца находится в пределах длин волн = 0,15 - 4,5 мкм, кроме того, кварц прозрачен для электромагнитных волн СВЧ диапазона.

Поскольку резонансная частота резонатора совпадает с частотой модуляции (в данном примере резонансная частота является частотой основного колебания резонатора), то размер резонатора L_о вдоль направления распространения модулированного лазерного излучения, который совпадает с размером кристалла кварца (4), заполняющим этот резонатор, определяется следующим образом:

,

где n - коэффициент преломления кристалла кварца на частоте модуляции,

- циклическая частота модуляции,

С - скорость в вакууме.

Как известно спектр модулированного по фазе (или частоте) вышеуказанным образом лазерного излучения с частотой _o оказывается дискретным, симметричным относительно _o и содержащим множество боковых частот вида _n= _o n , где n = 1, 2, 3, ... с амплитудами, распределенными по функциям Бесселя.

Таким образом, при фазовой (или частотной) модуляции гармоническими колебаниями лазерного излучения, несущей частоте _o (частоте лазерного излучения до модуляции) соответствует в частотном спектре промодулированного лазерного излучения множество частот, равноотстоящих друг от друга на частоту модуляции .

Поэтому распространение модулированного по фазе (или частоте) лазерного излучения в нелинейной среде без центра инверсии (в данном случае в кристалле кварца) можно рассматривать как распространение совокупности гармоник (спектральных составляющих) модулированного излучения, т.е. совокупности гармонических волн с частотами _n= _o n , где n = 1, 2, 3 ... и амплитудами, распределенными по функциям Бесселя.

Можно показать, что длина когерентного взаимодействия (длина когерентности) L_ког (L_ког - максимальное расстояние в кристалле кварца, на котором набег фаз для всех взаимодействующих в этом кристалле гармоник модулированного излучения и генерируемых волн СВЧ диапазона с частотой, совпадающей с частотой модуляции, относительно друг друга не превышает (180^o)) описывается выражением:

,

где n - коэффициент преломления кристалла кварца на частоте модуляции,

- циклическая частота модуляции,

n_грн - коэффициент преломления на нижней границе оптического диапазона кристалла кварца.

Из сравнения выражений (1) и (2) легко получить, что L_о < L_ког.

Следовательно в данном случае условие синхронизма для всех взаимодействующих волн в кристалле кварца выполняется автоматически без принятия специальных мер, вследствие чего данные взаимодействия являются синфазными.

Таким образом, в схеме на фиг.1 промодулированное лазерное излучение (3), которым облучают кристалл кварца (4), начинает распространяться в этом прозрачном кристалле, из-за нелинейности свойств которого начинают происходить синфазные взаимодействия между гармониками модулированного излучения и в результате возникает генерация в данном кристалле электромагнитной волны СВЧ диапазона на частоте, совпадающей с частотой модуляции, т.е. возникает генерация СВЧ излучения. Генерация СВЧ излучения происходит из-за того, что вследствие биений гармоник модулированного лазерного излучения в кристалле кварца возникают волны нелинейной поляризации на разностной частоте, совпадающей с частотой модуляции СВЧ диапазона, которые и являются источником генерируемого СВЧ излучения (в данном случае источником генерируемой электромагнитной волны СВЧ диапазона с частотой, равной частоте модуляции).

При дальнейшем распространении модулированного лазерного излучения в кристалле кварца будут происходить синфазные взаимодействия между гармониками модулированного излучения и генерируемым СВЧ излучением, которые приведут к дальнейшему росту мощности генерируемого СВЧ излучения с частотой, совпадающей с частотой модуляции, т.е. будет происходить преобразование энергии лазерного излучения в СВЧ энергию.

Для увеличения эффективности данного преобразования энергии в схеме на фиг.1 осуществляют накопление преобразованной энергии СВЧ диапазона с помощью прямоугольного СВЧ резонатора (5) с резонансной частотой, совпадающей с частотой модуляции, причем накопление преобразованной энергии в данном случае происходит следующим образом.

При прохождении вдоль оси Z модулированного лазерного излучения через кристалл кварца генерируемое в нем СВЧ излучение также распространяется вдоль оси Z. Затем это СВЧ излучение отражается от стенки резонатора и распространяется в обратном направлении, при этом взаимодействия с гармониками модулированного излучения не происходит. Отразившись от второй стенки резонатора, СВЧ излучение с частотой, равной частоте модуляции, оказывается в фазе само с собой и с гармониками модулированного излучения и процесс генерации СВЧ излучения при осуществлении условия синхронизма для всех взаимодействующих в кристалле кварца волн повторится. Таким образом, СВЧ излучение с частотой, равной частоте модуляции, периодически отражаясь от стенок резонатора, будет проходить через кристалл кварца неоднократно, каждый раз усиливаясь. В результате энергия генерируемого в кристалле кварца (4) СВЧ излучения будет накапливаться в высокодобротном резонаторе (5) в течение длительного времени.

Обозначим добротность резонатора (5) через Q, а амплитуду генерируемого в кристалле кварца СВЧ излучения с частотой, равной частоте модуляции за один проход - через U₀. Очевидно, что амплитуда U СВЧ поля, накопленного за Q проходов в резонаторе, определяется:

U= QU_o (3)

Чем выше добротность резонатора (5), тем эффективнее протекает данное преобразование энергии, и тем больше величина КПД данного преобразования.

Остановимся на требованиях к стабильности частоты модуляции в данном способе преобразования энергии. Очевидно, что время когерентности модулирующих колебаний должно превосходить время, в течение которого преобразованная энергия накапливается в резонаторе (5).

В результате для схемы преобразования энергии на фиг. 1 легко получить:

,

где - ширина полосы частоты модуляции,

Q - добротность резонатора

В качестве модуляторов, осуществляющих модуляцию по фазе (или частоте) исходного лазерного излучения (1) гармоническими колебаниями постоянной частоты СВЧ диапазона могут использоваться электрооптические модуляторы, работающие на эффекте Поккельса.

Данным модулятором может быть также зеркало, колеблющееся с постоянной частотой СВЧ диапазона. С этой целью зеркало либо непосредственно крепится на торец пьезопреобразователя, либо отражающее покрытие напыляется на торец пьезопреобразователя. При подаче электромагнитного сигнала с постоянной частотой СВЧ диапазона на пьезопреобразователь он начинает вибрировать с этой частотой вместе с зеркалом, либо с зеркальным покрытием за счет обратного пьезоэлектрического эффекта. Исходное лазерное излучение (1), отраженное от такого колеблющегося с постоянной частотой СВЧ диапазона зеркала, оказывается промодулированным вышеуказанным образом.

Пример 2. То же, что и в примере 1, только для повышения эффективности данного преобразования энергии в качестве СВЧ резонатора (5) используют сверхпроводящий резонатор СВЧ диапазона (криоэлектронный сверхпроводящий резонатор). Данные резонаторы обладают очень высокой добротностью Q(Q > 10⁹) в СВЧ диапазоне и, как показывают расчеты, в этом случае КПД рассматриваемого преобразования энергии может достигать величины 90% даже при относительно небольших мощностях (порядка одного ватта) исходного лазерного излучения непрерывного действия.

Пример 3. То же, что и в примере 1, только в качестве исходного лазерного излучения используют лазерное излучение импульсного действия при условии, что время длительности импульса лазерного излучения существенно превосходит период модулирующих гармонических колебаний постоянной частоты СВЧ диапазона.

Пример 4. То же, что и в примере 1, только исходное лазерное излучение (1) модулируют по амплитуде колебаниями постоянной частоты СВЧ диапазона прямоугольной формы (т.е. осуществляют амплитудную модуляцию периодическими негармоническими колебаниями постоянной частоты).

Пример 5. То же, что и в примере 1, только преобразованную и накопленную в резонаторе (5) энергию СВЧ диапазона выводят из резонатора, и с помощью излучающей (передающей) антенны передают СВЧ энергию через свободное пространство.

Пример 6. То же, что и в примере 1, только для преобразования в энергию низкочастотных электромагнитных колебаний промышленной или сколь угодно малой частоты (т. е. для преобразования в энергию переменного тока промышленной частоты или в энергию постоянного тока) преобразованную и накопленную в резонаторе (5) энергию СВЧ диапазона выводят из резонатора и с помощью СВЧ выпрямителя осуществляют преобразование в энергию данных низкочастотных электромагнитных колебаний.

КПД преобразования современных СВЧ выпрямителей (вакуумных или полупроводниковых), являющихся преобразователями СВЧ энергии в энергию постоянного или переменного тока, достигает 80-90%.

Результирующий КПД преобразования предлагаемым способом энергии лазерного излучения в энергию постоянного или переменного тока может достигать 70-80% при использовании сверхпроводящих резонаторов с большой добротностью (криоэлектронных сверхпроводящих резонаторов).

Пример 7. То же, что и в примере 1, только в качестве исходного оптического излучения (1), подлежащего данному преобразованию, используют солнечное излучение.

В этом случае осуществляется преобразование энергии солнечного излучения в электромагнитную энергию СВЧ диапазона.

Расчеты показывают, что в данном примере, при использовании в качестве резонатора (5) сверхпроводящего резонатора (криоэлектронного сверхпроводящего резонатора) с высокой добротностью, КПД преобразования энергии солнечного излучения в электромагнитную энергию СВЧ диапазона может достигать 70%.

Пример 8. То же, что и примере 6, только в качестве исходного оптического излучения (1), подлежащего данному преобразованию, используют солнечное излучение.

В данном случае осуществляется преобразование энергии солнечного излучения в энергию постоянного или переменного тока промышленной частоты.

Расчеты показывают, что при использовании сверхпроводящих резонаторов КПД преобразования энергии в рассматриваемом примере может достигать 50- 60%.

Пример 9. То же, что и в примере 7, только преобразование энергии солнечного излучения в электромагнитную энергию СВЧ диапазона производят на космическом объекте, размещенном на геосинхронной орбите, при этом преобразованную и накопленную в резонаторе (5) СВЧ энергию выводят из резонатора и с помощью передающей антенны энергию СВЧ излучения передают на Землю, где СВЧ излучение улавливается принимающей антенной. Далее с помощью СВЧ выпрямителей осуществляют окончательное преобразование в электрическую энергию постоянного или переменного тока промышленной частоты.

В данном случае для передачи преобразованной СВЧ энергии на Землю с наименьшими потерями частоту модуляции солнечного излучения подбирают так, чтобы резонансная частота резонатора(5) (а значит и, совпадающая с резонансной частотой, частота преобразованного СВЧ излучения, передаваемого на Землю), равная частоте модуляции, находилась в частотном диапазоне прозрачности атмосферы.

Следует отметить, что осуществление преобразования энергии солнечного излучения в энергию СВЧ излучения на космическом объекте, находящемся на геосинхронной орбите, позволит обеспечить непрерывную передачу преобразованной СВЧ энергии на Землю, поскольку данный космический объект непрерывно или почти непрерывно освещен Солнцем. Кроме того, плотность солнечного излучения в космосе больше, чем на Земле.

Пример 10. То же, что и в примере 7, только при этом используют оптические системы (линзы, сферические зеркала и т. п. ) как для концентрации (фокусировки) исходного солнечного излучения, так и для придания пучку промодулированного солнечного излучения заранее заданной формы, в данном случае формы узкого параллельного пучка, при его распространении в кристалле кварца.

Использование оптических систем позволяет повысить эффективность данного преобразования энергии.

Пример 11. То же, что и в примере 7, только осуществляют преобразование предлагаемым способом энергии нескольких потоков солнечного излучения одновременно с помощью нескольких схем, аналогичных схеме на фиг.1, каждая из которых преобразует энергию одного из потоков солнечного излучения.

При этом все каналы для передачи преобразованной СВЧ энергии от каждого из потоков солнечного излучения (в данном примере все коаксиальные кабели, по которым передают преобразованную и накопленную в резонаторах СВЧ энергию) коммутируют в один общий канал (общий коаксиальный кабель), по которому передают результирующую преобразованную СВЧ энергию от всех потоков солнечного излучения.

Далее результирующую преобразованную энергию от нескольких потоков солнечного излучения либо подают на излучающую СВЧ антенну, с целью дальнейшей беспроводной передачи преобразованной СВЧ энергии через свободное пространство, либо подают на СВЧ выпрямители для преобразования в электрическую энергию постоянного или переменного тока.

Осуществление одновременного преобразования энергии от нескольких потоков солнечного излучения с последующей коммутацией каналов передачи преобразованной СВЧ энергии от каждого из потоков в один общий канал для передачи результирующей преобразованной СВЧ энергии от всех потоков позволяет производить данное преобразование солнечной энергии в СВЧ энергию с большей площади, т. е. позволяет увеличить энергию солнечного излучения, подлежащую преобразованию.

Пример 12. То же, что и в примере 1, только кристалл кварца размещается вне резонатора, при этом преобразованную электромагнитную энергию генерируемого в кристалле СВЧ излучения подводят к резонатору, в котором накапливают эту преобразованную энергию.

На фиг. 2 показан кристалл кварца (4) размером L L_ког (см. выражение (2) в примере 1), в котором при его облучении распространяется модулированное лазерное излучение (3). Генерируемое в кристалле СВЧ излучение с частотой, совпадающей с частотой модуляции, при помощи нанесенного на кристалл контакта (6) и коаксиального кабеля (7) (или волновода), отводится в СВЧ резонатор (5), настроенный только на частоту модуляции (т.е. резонансная частота резонатора совпадает с частотой модуляции).

Если обозначить амплитуду генерируемого в кристалле кварца СВЧ излучения через U₀, то амплитуда U вынужденных СВЧ колебаний, установившихся в резонаторе, будет в Q раз превышать амплитуду воздействующего сигнала, в данном случае амплитуду U₀ генерируемого СВЧ излучения. Поэтому U = QU₀, где Q - добротность резонатора.

Пример 13. То же, что и в примере 12, только для предотвращения утечки накапливаемой преобразованной энергии из СВЧ резонатора (5) обратно в кристалл кварца (4), т.е. для развязки среды и резонатора, дополнительно используют ферритовые вентили, пропускающие генерируемое в кристалле СВЧ излучение только в одном направлении - от кристалла кварца (4) к резонатору (5).

Пример 14. То же, что и в примере 12, только вместо кристалла кварца (4), размером L_о L_ког, используют протяженную квадратичную нелинейную среду, состоящую из набора кристаллов кварца, соприкасающихся между собой, размеры L_кр которых вдоль направления распространения модулированного лазерного излучения меньше либо равны длине когерентного взаимодействия L_ког (L_кр L_ког), при этом кристаллы кварца ориентированы друг относительно друга так, чтобы волны нелинейной поляризации (возникающие в кристаллах вследствие биений на разностной частоте, равной частоте модуляции гармоник распространяющегося модулированного лазерного излучения) каждый раз при прохождении в другой кристалл испытывали скачок фазы на (180^o).

Если такая квадратичная нелинейная среда состоит из m-кристаллов, причем размер каждого кристалла L_кр L_ког, то общий размер среды L_о, на котором будет осуществляться условие синхронизма для всех взаимодействующих волн будет равен mL_ког, т.е. L_о = mL_ког > L_ког.

В результате для достижения тех же КПД, что и в примере 12, требуются резонаторы меньшей добротности.

Пример 15. То же, что и в примере 12, только вместо кристалла кварца (4) используют оптическое волокно из монокристаллического кварца (см.фиг.2), т. е. используют кристалл кварца с волоконной геометрией.

В этом случае даже при достаточно низких уровнях мощности исходного лазерного излучения достигаются большие напряженности оптических полей за счет волоконной геометрии кристалла кварца, что повышает эффективность данного преобразования энергии. Кроме того, за счет данной геометрии кристалла появляется возможность управления дисперсией, т.е. возможность осуществления условия синхронизма для всех взаимодействующих волн в оптическом волокне из монокристалла кварца на расстоянии L_о > L_ког.

Пример 16. Преобразование энергии лазерного излучения в энергию СВЧ поля с частотой, совпадающей с удвоенной (кратной) частотой модуляции.

То же, что и в примере 12, только резонансная частота резонатора (5) совпадает с удвоенной частотой модуляции, т.е. резонатор настроен на частоту кратную частоте модуляции, а именно, на удвоенную частоту модуляции. Кроме того, для осуществления условия синхронизма между гармониками модулированного излучения и генерируемой в кристалле кварца электромагнитной СВЧ волной с частотой, равной удвоенной частоте модуляции, размер кристалла кварца L_о выбирают меньшим, либо равным длине когерентного взаимодействия в рассматриваемом случае. В результате в резонаторе (5), настроенном на удвоенную частоту модуляции, будет происходить накопление генерируемых в кристалле СВЧ волн с частотой, равной удвоенной частоте модуляции.

Длина когерентного взаимодействия в данном случае, зависящая от удвоенной частоты модуляции, в два раза меньше длины когерентного взаимодействия, определяемого выражением (2) в примере 1.

Генерация СВЧ излучения (СВЧ волн) с частотой, равной удвоенной частоте модуляции в кристалле кварца, происходит за счет возникновения в кристалле волн нелинейной поляризации на разностной частоте, равной удвоенной частоте модуляции. Данные волны нелинейной поляризации, являющиеся источником генерируемого в кристалле СВЧ излучения с удвоенной частотой модуляции, возникают вследствие биений между гармониками модулированного излучения с частотами _o и _o-2, _o-2 и _o-4 и т.д., где _o - циклическая частота исходного лазерного излучения, - циклическая частота модуляции.

В рассматриваемом примере эффективное преобразование в энергию СВЧ поля с удвоенной частотой модуляции происходит вследствие того, что в СВЧ резонаторе, настроенном на эту частоту, происходит накопление энергии генерируемого в кристалле кварца СВЧ излучения только с удвоенной частотой модуляции, при этом для эффективной генерации в кристалле данного СВЧ излучения необходимо осуществлять условие синхронизма для взаимодействующих гармоник модулированного излучения и генерируемого СВЧ излучения с удвоенной частотой модуляции.

Пример 17. То же, что и в примере 12, только в качестве нелинейной среды без центра инверсии используют кубичную нелинейную среду, помещенную в постоянное электрическое поле, а именно аммиак (молекулярный газ NH₃), в присутствии постоянного электрического поля.

В этом случае к прозрачной стеклянной колбе, заполненной аммиаком, постоянное электрическое поле прикладывается с помощью электродов.

Пример 18. То же, что и в примере 17, только частоту модуляции подбирают равной или близкой собственной частоте перехода между уровнями аммиака, которая лежит в СВЧ диапазоне и равна = 23870 Мгц.

В этом случае за счет резонансного возрастания кубичной нелинейной восприимчивости данной среды эффективность преобразования энергии возрастает.

Пример 19. То же, что и в примере 18, только дополнительно стандартными методами создают инверсию населенностей между соответствующими уровнями аммиака (NH₃) с собственной частотой перехода = 23870 Мгц, например с помощью электрического разряда или с помощью постоянного во времени, но неоднородного в пространстве электрического или магнитного поля.

В этом случае при распространении лазерного модулированного излучения генерируемое в данной нелинейной среде СВЧ излучение с частотой, равной частоте модуляции и совпадающей с данной частотой перехода, будет дополнительно усиливаться за счет наличия отрицательного поглощения, вызванного активностью среды на данной частоте (т.е. за счет наличия инверсии населенностей между данными уровнями).

Пример 20. То же, что и в примере 12, только для накопления преобразованной энергии используют несколько резонаторов с одной и той же резонансной частотой, равной частоте модуляции, объединенных в каскады через ферритовые вентили, пропускающие преобразованную и накапливаемую СВЧ энергию только в одном направлении от резонатора предыдущего каскада к резонатору последующего каскада. Для этого преобразованную энергию, накопленную в резонаторе (5) первого каскада, с помощью коаксиального кабеля или волновода подводят через ферритовый вентиль к следующему резонатору с той же резонансной частотой (резонатор второго каскада), в котором процесс накопления преобразованной энергии продолжится. Из резонатора второго каскада накопленная преобразованная СВЧ энергия можем подводиться к резонатору третьего каскада и т.д.

В данном случае ферритовые вентили используются для предотвращения влияния каждого последующего резонатора на предыдущий.

Пример 21. То же, что и в примере 12, только в качестве модулятора (2) используют электрооптический модулятор бегущей волны, с помощью которого модулируют исходное лазерное излучение по фазе гармоническими колебаниями постоянной частоты СВЧ диапазона. При этом одна часть кристалла кварца (4) за счет его электрооптических свойств является средой электрооптического модулятора бегущей волны, а за счет наличия нелинейных свойств в этом же кристалле кварца происходит генерация СВЧ излучения (СВЧ волн) с частотой, равной частоте модуляции, энергию которого подводят к резонатору (5) и накапливают в нем.

В данном примере модуляцию оптического излучения и генерацию СВЧ излучения осуществляют в одной и той же нелинейной среде (кристалле кварца).

Пример 22. То же, что и в примере 21, только накопление энергии генерируемых в кристалле СВЧ волн с частотой, равной частоте модуляции осуществляют с помощью кварцевого резонатора за счет пьезоэлектрических свойств кристалла кварца. Для этого, частоту модуляции подбирают так, чтобы частота генерируемых в кристалле кварца СВЧ волн, равная частоте модуляции, также совпадала с собственной частотой механических колебаний кристалла кварца.

В рассматриваемом случае все этапы данного способа преобразования энергии (модуляцию оптического излучения, генерацию волн СВЧ диапазона и накопление преобразованной СВЧ энергии) производят в одной и той же среде (в данном примере в кристаллическом кварце) за счет наличия электрооптических, нелинейных и пьезоэлектрических свойств у этой среды.

Пример 23. То же, что и в примере 12, только, для снижения потерь, возникающих при отводе из кристалла кварца генерируемого СВЧ излучения и подводе его к резонатору, используют СВЧ резонатор с емкостным зазором, в котором размещают данный кристалл кварца, облучаемый лазерным излучением.

На фиг. 3 кристалл кварца (4) размером L_о L_ког, в котором распространяется модулированное лазерное излучение (3), помещен в емкостной зазор тороидального резонатора (5) с резонансной частотой, совпадающей с частотой модуляции, лежащей в СВЧ диапазоне.

Пример 24. Преобразование энергии исходного лазерного излучения в электромагнитную энергию низкочастотной части радиодиапазона.

То же, что и в примере 23, только для преобразования в электромагнитную энергию низкочастотной части радиодиапазона в качестве резонатора (5) используют колебательный контур, между обкладками конденсатора которого размещают кристалл кварца (4) размером L_о L_ког. При этом резонансная частота колебательного контура, совпадает с частотой модуляции, которая находится в низкочастотной части радиодиапазона.

Пример 25. Осуществление усиления электромагнитных СВЧ сигналов с использованием предлагаемого способа преобразования энергии.

То же, что и в примере 23, только для усиления СВЧ сигнала, формируемого от независимого СВЧ генератора и представляющего собой электромагнитные СВЧ колебания, этими усиливаемыми СВЧ колебаниями осуществляют модуляцию исходного лазерного излучения (1) с помощью модулятора (2) вышеуказанным образом (см. фиг. 3), для чего усиливаемые СВЧ колебания подают на вход модулятора. При этом резонансная частота резонатора (5), накапливающего преобразованную СВЧ энергию, совпадает с частотой модуляции, т.е. с частотой усиливаемых исходных колебаний, которыми модулируют лазерное излучение.

При выводе преобразованной и накопленной энергии из резонатора получают высокочастотные колебания более мощные, чем исходные и с той же частотой. Происходит усиление исходных СВЧ колебаний, которыми модулируют лазерное излучение.

Усиление происходит за счет преобразования энергии лазерного излучения в энергию СВЧ колебаний данной частоты.

Пример 26. Осуществление генерации электромагнитных СВЧ сигналов. То же, что и в примере 25, только для самовозбуждения, т.е. для генерации электромагнитных СВЧ колебаний, с помощью цепи обратной связи осуществляют положительную обратную связь между резонатором (5), в котором происходит накопление преобразованной энергии (выходом схемы усиления) и входом модулятора (2) (входом схемы усиления).

Как известно, под обратной связью понимают передачу сигналов с выхода схемы на ее вход, при этом при осуществлении положительной обратной связи происходит генерация.

В данном примере для осуществления положительной обратной связи часть преобразованной и накопленной в резонаторе (5) энергии с помощью цепи обратной связи передают на вход модулятора для модуляции исходного оптического излучения.

Пример 27. Осуществление умножения частот СВЧ сигналов.

То же, что и в примере 25, только для умножения частот, т.е. для увеличения в целое число раз частоты СВЧ колебаний, резонансную частоту резонатора (5) подбирают кратной частоте модуляции, т.е. _рез= n , где n - целое число, характеризующее кратность.

В этом случае происходит преобразование энергии лазерного излучения в энергию СВЧ поля с частотой кратной частоте модуляции.

Эффективное преобразование в энергию СВЧ поля с частотой, кратной частоте модуляции, происходит вследствие того, что в СВЧ резонаторе, настроенном на эту частоту, происходит накопление энергии генерируемого в кристалле кварца СВЧ поля только с частотой, кратной частоте модуляции, при этом для эффективной генерации в кристалле данного СВЧ поля осуществляется условие синхронизма для взаимодействующих гармоник модулированного излучения и генерируемого СВЧ поля с частотой, кратной частоте модуляции.

Так же как и в примере 25, с целью осуществления условия синхронизма, размер кристалла кварца L_о выбирают меньшим, либо равным длине когерентного взаимодействия L_ког (L_о L_ког). Однако в рассматриваемом случае длина когерентного взаимодействия зависит от данной частоты, кратной частоте модуляции, и в n-раз меньше длины когерентного взаимодействия, определяемого выражением (2) в примере 1.

В результате при выводе преобразованной и накопленной СВЧ энергии из резонатора получают электромагнитные СВЧ колебания с частотой, в целое число раз превышающей частоту исходных электромагнитных СВЧ колебаний, которыми модулируют лазерное излучение, т.е. осуществляют умножение частот.

Пример 28. Осуществление преобразования энергии лазерного излучения в электромагнитную энергию СВЧ диапазона с помощью нескольких участков нелинейной среды без центра инверсии с соответствующими этим участкам резонаторами.

Для осуществления данного преобразования используют последовательное расположение по ходу распространения промодулированного лазерного излучения нескольких участков нелинейной среды без центра инверсии с соответствующими этим участкам резонаторами, накапливающими преобразованную на каждом из участков этой среды энергию.

На фиг.4 несколько кристаллов кварца (4),(4") с соответствующими резонаторами (5),(5") расположены последовательно по ходу распространения модулированного лазерного излучения.

В данном случае в качестве СВЧ резонаторов используют объемные тороидальные резонаторы с одинаковыми резонансными частотами, совпадающими с частотой модуляции СВЧ диапазона. Размеры L_о кристаллов кварца (4), (4") вдоль распространения модулированного лазерного, излучения одинаковы и подобраны исходя из осуществления условия синхронизма для взаимодействующих в кристаллах гармоник модулированного лазерного излучения и генерируемого СВЧ излучения с частотой модуляции. На фиг.4, L_о L_ког, где L_ког определяется из выражения (2) в примере 1.

Модулированное лазерное излучение (3) проходит через кристалл кварца (4), размещенный в емкостном зазоре тороидального резонатора (5), в результате чего происходит преобразование части промодулированного лазерного излучения в СВЧ энергию с последующим ее накоплением.

Оставшаяся непреобразованная часть энергии промодулированного лазерного излучения испытывает дальнейшее преобразование в СВЧ энергию на следующем кристалле кварца (4"), расположенном в емкостном зазоре резонатора (5"), в котором происходит накопление преобразованной энергии, и т.д.

Очевидно, что применение нескольких участков нелинейных сред без центра инверсии с соответствующими этим участкам резонаторами при тех же значениях КПД, что и в примере 23, позволяет снизить требования к величине добротности резонаторов, либо повысить эффективность данного преобразования энергии при тех же значениях добротности.

Пример 29. Осуществление преобразования энергии лазерного излучения в СВЧ энергию с использованием многократного прохождения модулированного лазерного излучения по замкнутому контуру.

Высокие значения КПД предлагаемого преобразования энергии при невысоких значениях добротностей резонаторов можно также добиться, используя многократное прохождение модулированного оптического излучения по замкнутому контуру через один и тот же участок нелинейной среды без центра инверсии, а накопление преобразованной энергии при этом производить в соответствующем этому участку резонаторе вышеуказанным образом.

На фиг. 5 кристалл кварца (4), размером L_о L_ког (см.выражение (2) в примере (1)), расположенный в емкостном зазоре соответствующего тороидального СВЧ резонатора (5), одновременно находится в оптическом кольцевом резонаторе, состоящем из зеркал (9), (10), (11) и полупрозрачного зеркала (8).

В данном случае с помощью полупрозрачного зеркала (8) и зеркал (9), (10), (11) оптического кольцевого резонатора обеспечивается многократное прохождение модулированного лазерного излучения через данный кристалл (4) с соответствующим СВЧ резонатором (5), резонансная частота которого равна частоте модуляции, при этом энергия генерируемого в кристалле кварца на каждом проходе СВЧ излучения накапливается в тороидальном резонаторе (5), что и приводит к повышению КПД данного преобразования по сравнению с однократным прохождением.

Пример 30. То же, что и в примере 29, только для многократного прохождения модулированного лазерного излучения по замкнутому контуру используют оптический резонатор Фабри-Перо, между двумя зеркалами которого помещают кристалл кварца, размером L_о L_ког, с соответствующим ему тороидальным СВЧ резонатором, резонансная частота которого равна частоте модуляции.

В этом случае с помощью двух плоских зеркал открытого оптического резонатора (резонатора Фабри-Перо) осуществляют многократное прохождение модулированного лазерного излучения через данный кристалл кварца, расположенный в емкостном зазоре тороидального СВЧ резонатора, при этом, на каждом проходе преобразованнная СВЧ энергия будет накапливаться в данном СВЧ резонаторе.