1. Введение
Современные генераторы излучения в ИК и ТГц диапазонах, как правило, реализуются как раздельные системы. Генерация в ИК диапазоне достигается, например, в газодинамических CO₂-лазерах, где используется термодинамический способ созданная инверсии на колебательно-вращательных уровнях молекул. В ТГц области используют либо нелинейные кристаллы, либо ускоренные электронные пучки - с большими техническими ограничениями.
Возникающая в ударно-волновых детонационных процессах неравновесная плазма обладает способностью к импульсной ТГц генерации. Более того, по мере охлаждения молекул после сжатия фронтов достигается инверсия по CO₂, что делает возможным последующую ИК генерацию в одном и том же объёме.
Предлагается резонатор, работающий в одном из трёх масштабируемых режимов:
Инфракрасный лазерный (на CO₂),
ТГц-плазменный (Бремсштралунг в ионизованной среде),
Компактный гибридный (последовательный режим ТГц → ИК).
2. Геометрия и работа резонатора
2.1. Геометрия резонатора
Резонатор представляет собой разомкнутую объёмную полость с внутренней переменной отрицательной кривизной, которая образована вращением усеченной гиперболы вокруг оси F, параллельной оси фокусов F1F2 гиперболы и смещенной от нее на R.
Фокальное свойство — «фокальная яма»
Фокальное свойство резонатора определяется фокальным свойством образующей переменную отрицательную кривизну гиперболы. Любой луч, направленный внутри резонатора в сторону любого внешнего фокуса образующей гиперболы, не достигнув его, пере отражается так, будто он исходит из другого внешнего фокуса. И так далее - происходит чередование пере отражений. В пределе, все пере отражения заканчиваются попаданием луча в фокусную яму внутри резонатора по оси фокусов гиперболы F1-F2 в идеальных условиях.
Лучи, попадающие на стенки под углом не в направлении внешних фокусов, в большинстве случаев будут после многократного пера отражения, “обтекая” ось резонатора спиралью окажутся также в “фокальной яме”.
Механизм можно сравнить с оптической воронкой – структура, втягивающая лучи к своей оси. Только в данном случае фокус существует не как точка, а как цилиндрическая область, к которой стремятся большинство лучей.
Благодаря такой компоновке возможно реализовать практически любой режим накачки - тепловой, ударный или химический, и получить мультиспектральный фотонный отклик в пределах одного резонатора.
2.2. Вывод энергии из резонатора
��ля вывода энергии используется кольцевая выходная апертура в месте фокальной “яме”.
Для её построения усечение одной ветви гиперболы со стороны выхода делается ниже оси фокусов на расстоянии λ/2.
В этом случае будет происходить не только концентрация лучей в фокальной “яме”, но и узко направленное цилиндрическое распространение.
Выходной профиль
Кольцевая апертура и фокальный луч формируют узконаправленный пучок цилиндрической формы (квазилуч), близкий к дифракционной расходимости.
2.3. Возбуждение резонатора
Возбуждение резонатора осуществляется за счёт вводимых в полость волновых фронтов детонационного горения с одной стороны или с обоих сторон вдоль оси вращения F.
Варианты:
1) Односторонний ввод.
Создаёт в резонаторе эффект глубокого расширения. Газ по мере прохождения через резонатор стремительно расширяется и охлаждается. Это приводит к инверсии населённостей (механизм аналогичен классическим газодинамическим лазерам).
2) Двусторонний (симметричный) ввод.
Волны детонационного горения вводятся одновременно и на��стречу друг другу. В центре резонатора происходит фронтальное сжатие - образование ударного слоя сверх высокой температуры (T > 8000 K) и давления. Интенсивная ионизация создаёт плазму и инициирует ускорение электронов. Возникает Бремсштралунг - формируется ТГц-импульс.
3. Режимы работы
3.1. Инфракрасный квантовый генератор (ИК)
Принцип работы основан на инверсии колебательно-вращательных уровней молекул CO₂, на возбуждённом состоянии CO₂ (001) и переходе на (100). Можно сказать, что это классическая газодинамическая накачка с последующим расширением, только в новый объёмный резонатор с внутренней переменной отрицательной кривизной.
Инфракрасный режим генерации реализуется как естественное продолжение классической газодинамической лазерной архитектуры. Его оптимизация в пространственно-сходящейся геометрии позволяет уменьшить длину системы, улучшить накачку, стабилизировать моду и повысить направленность пучка.
Режим полностью совместим с гибридной и ТГц-генерацией (в случае наличия CO₂), а при соответствующей настройке может быть реализован автономно как отдельный ИК-лазер высокого качества.
Характеристики
Рабочая температура в импульсе: T = 2000–3000 K.
Классический состав смеси CO₂ : N₂ : He = 1 : 3 : 3 .
Давление P = 5–20 атм.
Длина волны: λ = 10.6 мкм (также возможны 9.6, 10.2, 10.3 мкм).
Продолжительность импульса: 50–1000 мкс.
Выходная мощность - до сотен мегаватт (в импульсе), при масштабировании объёма.
Диаграмма излучения: узкий пучок, расходимость близка к дифракционному пределу (≈1–2 мрад).
3.2. ТГц-импульсная генерация (Бремсштралунг)
“Режим генерации терагерцового (ТГц) излучения реализуется в результате встречного схлопывания двух детонационных волн (см. раздел 2.3). При этом в центре резонатора возникает:
Локальная температура: T ≈ 5000K (достаточна для ТГц-генерации)
Локальное давление: P ≈ 100 атм
Плотность электронов: nₑ ~ 10¹⁶–10¹⁸ см⁻³
Ускоренные в электрических полях электроны при столкновении с ионами излучают широкополосный импульс через механизм Бремсштралунга (рентгеновское излучение свободных электронов).
Спектр Бремсштралунга при T≈5000K: На таких температурах спектр достигает максимума в ИК-диапазоне (~100 THz), но ТГц-компонента (~1 THz) находится на растущей ветви спектра I(ν) ∝ 1/ν и излучается примерно в 40 раз интенсивнее видимого света, что достаточно для практических приложений спектроскопии.
Если газ содержит атомы углерода, то после ТГц будет ИК-фаза. Поэтому, для получения «чистого» ТГц-режима без последующей инфракрасной генерации нужно исключить углерод из реакции, например, использовать топливовоздушную смесь для детонационного горения: водород + кислород.
Важное примечание: параметры T≈5000K и P≈100 атм достигаются локально в центре резонатора при встречном столкновении волн.
Оптимальный состав смеси:
H₂ + O₂
Реакция: 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O
3.3. Гибридный режим ТГц + ИК
Гибридный режим генерации реализуется в газодинамическом резонаторе в случае использования газовой смеси, содержащей
молекулы, способные создавать колебательно-вращательные переходы (например, CO₂);
Режим включает в себя два последовательных физических этапа, происходящих последовательно в одном и том же объеме камеры:
1) Плазменно-ударная ТГц-фаза, основанная на Бремсштралунге в ионизованной среде.
2) ИК-лазерная фаза, реализуемая после охлаждения газа и формирования инверсии уровней CO₂.
Такая последовательность превращает резонатор в генератор двойного спектра, обеспечивая сначала мощный ТГц-импульс, затем -ИК-излучение.
Последовательность работы
Фаза I - сжатие ударных фронтов, формирование ТГц-импульса
При встрече детонационных волн в центре резонатора возникает область с температурой T ≈ 5000 K и давлением > 100 атм.
Происходит ионизация молекул: CO, N₂, C₂H₂, образование электронной плазмы с плотностью nₑ ~ 10¹⁶–10¹⁸ см⁻³.
Ускоренные электроны при торможении на ионах и молекулах излучают широкополосный ТГц-импульс через механизм Бремсштралунга .
Продолжительность излучения составляет 10–100 нс.
Фаза II - рекомбинация, охлаждение и запуск колебательной инверсии
Через 0.5–2 мкс после ТГц-импульса температура падает до 2500–3500 K. Плазма разряжается - происходит рекомбинация электронов, восстановление молекул CO₂.
Благодаря переносу вибрационного возбуждения от N₂ → CO₂ формируется инверсия населённостей между верхними (001) и нижними (100) колебательно-вращательными уровнями.
Это классический механизм ИК-лазера на CO₂.
Оптимальный состав смеси:
C₂H₂ : O₂ : CO₂ : Ar = 1 : 2.5 : 2 : 4
CO₂ - добавляется непосредственно или образуется при детонационном горении (необходим для ИК-лазерной генерации).
Аргон замедляет рекомбинацию кислорода, может увеличивать ТГц через плазмонные моды и восстанавливает молекулы CO₂ из фрагментов
4. Сравнение ТГц-источников
Параметр | Наш резонатор | ККЛ (QCL) | Фемтосекундные | Синхротрон |
Источник энергии | Химическое топливо | Электрический ток | Фемтосек. лазер | Релятивистские e⁻ |
Пиковая мощность | 100 МВт | 0.1-1 Вт | 1-10 Вт | 1000+ МВт |
КПД | ~2% | 10-30% | 1-5% | ~1% |
Частотный диапазон | 0.1-100 THz | 0.5-5 THz | 0.1-10 THz | 0.1-1000 THz |
Направленность пучка | 1-10 мрад | 1 мрад | 10-100 мрад | 0.1 мрад |
Импульсная длительность | 10-100 нс (ТГц) + 0.5-2 мкс (ИК) | Непрерывная (CW) | <100 фс | Непрерывная (CW) |
Повторяемость | 0.01-1 Гц (импульсы) | Непрерывно | ~1 кГц | Непрерывно |
Размер системы | 0.5-2 м | 10 см | 1-5 м | 100+ м |
Требуемые расходные материалы | Топливовоздушная смесь | Электричество | Лазерный газ/кристалл | Электричество |
5. Проблемы и ограничения
Несмотря на физическую обоснованность идеи, существуют значительные инженерные и физические ограничения, которые необходимо преодолеть перед практической реализацией.
5.1. Энергетическая эффективность
Суммарный КПД системы оценивается в 1.5–2%: - Топливо → детонация: 70% - Детонация → плазма: 80% - Плазма → ТГц: 20% - Охлаждение → ИК: 17% - Итого: 0.70 × 0.80 × 0.20 × 0.17 ≈ 2%. Это значит, что для 1 Джоуля ТГц-излучения требуется 50 Джоулей химической энергии. Для сравнения: квантово-каскадные лазеры имеют КПД 10–30%, что в 5–15 раз выше. Следствие: Резонатор неконкурентен для приложений, требующих энергоэффективности. Он может быть применим только в специализированных приложениях, требующих экстремальной импульсной мощности (100 МВт).
5.2. Синхронизация ударных волн
При двустороннем вводе две детонационные волны должны встретиться в центре резонатора одновременно. Требуемая точность синхронизации < 1 нс. Смещение на 1 нс приводит к смещению фокальной зоны на 5 мм (при скорости волны v ≈ 5000 м/с). Требует��я: Активная система обратной связи с контролем давления в обоих каналах в реальном времени. Это добавляет сложность системы управления.
6. Области применения
Уникальная ниша резонатора — генерация ТГц-излучения с импульсной мощностью 100–500 МВт. Такие параметры требуются для:
Импульсная ТГц-спектроскопия: исследование быстрых процессов в молекулярных системах (временное разрешение наносекунды–микросекунды).
Нелинейные явления в плазме и веществе: абляция, спекание керамики, нелинейное рассеяние на дефектах.
Высокоэнергетические физические эксперименты: когда требуется локальное сверхвысокое поле.
Специализированные методы обработки материалов: обработка керамики, композитов, древесины.
Оборонные приложения (гипотетически).
7. Вывод
Предложенный универсальный газодинамический резонатор демонстрирует физически обоснованный подход к одновременной генерации ТГц и ИК-излучения в едином устройстве. Критическое улучшение достигается благодаря конструкции с встречным введением детонационных волн, которая решает противоречие между требуемой температурой (T≈5000K) и безопасностью топливной смеси.
Преимущества идеи:
Импульсная мощность в ТГц-диапазоне: 100–500 МВт- уникальна, отсутствует у конкурентов.
Физическая реалистичность: встречное схлопывание волн достигает требуемых параметров при умеренном давлении.
Многорежимность: одно устройство может генерировать ТГц, ИК или гибридный режим.
Основные вызовы:
КПД только 2% - требуется оптимизация каждого этапа энергопередачи.
Синхронизация - требуется точность < 1 нс при встречном вводе волн.
Статья предложена как база для развития новых классов импульсно‑квантовых излучателей двойного спектра — для научной, оборонной, телекоммуникационной и зондирующей техники.
