Началась эта история еще в конце ХХ в., когда было показано, что мощные и ультракороткие лазерные импульсы, взаимодействуя с частицами воздуха, ионизируют его, образуя плазменные нити (или филаменты). Если с помощью конических линз или адаптивной оптики придать лазерному лучу форму кольца, то таким путем можно получить протяженный плазменный цилиндр, причем если диаметр цилиндра будет сравним с длиной волны микроволнового (СВЧ) излучения, он может действовать, как волновод — канал, способный поддерживать распространение волн вдоль него. (Общеизвестным примером волноводов может служить обычное оптоволокно — с той разницей, что формируется оно не плазмой, а стеклом или пластиком, и передает не микроволны, а видимое излучение.)
В плазменной трубе: Идеи Теслы – в жизнь!
Российские ученые научились передавать микроволновое излучение на несколько километров – роль «проводов» для этого играют плазменные трубы.
В отличие от видимого излучения, микроволновое несет куда больше энергии. Так что, используя лазер, мы могли бы организовывать ее передачу на расстояние — в буквальном смысле слова, по воздуху, как мечтал еще великий Тесла («Повелитель молний»). К сожалению, эта схема наталкивается на серьезное препятствие. Проводимость плазмы невелика, и волны затухают в ней довольно быстро, успев преодолеть, в лучшем случае, несколько метров.
Теоретическое решение проблемы было найдено еще в 1960-е, когда советский физик Гурген Аскарьян предложил использовать плазменный волновод, излучение в котором передавалось бы за счет эффекта полного внутреннего отражения. Точно так происходит и в оптоволокне: распространяющиеся вдоль него волны попадают на край под очень острым (скользящим) углом и отражаются от границы разделения сред, без потерь проходя десятки, а порой и сотни километров. Аналогичный эффект можно реализовать и в плазме — правда, для этого потребуется использовать ультрафиолетовый лазер, высокоэнергетическое излучение которого способно эффективно ионизировать воздух, причем лазер таких характеристик, которые в 1960-х были еще недостижимы.
И вот недавно это было впервые реализовано: исследователи Лаборатории газовых лазеров московского ФИАН организовали плазменный волновод для СВЧ-излучения прямо в своем рабочем коридоре. Расстояние, на которое удалось передать микроволны, составило несколько десятков метров. Но это, конечно, не предел. Проведенные теоретические расчеты подтвердили, что при поддержании определенных характеристик лазерного луча этот же подход позволяет передавать СВЧ-излучение на расстояние до 1−2 км.
Для работы ученые использовали ультрафиолетовый криптон-фторовый лазер «Гарпун» с энергией излучения около 100 Дж на длине волны 248 нм. А чтобы достичь необходимых высоких характеристик лазерного луча при минимальных затратах энергии работал он пакетами ультракоротких импульсов.
Практических следствий из этой работы может найтись масса: к примеру, плазменные микроволновые волноводы способны намного повысить точность и дальнодействие радиолокаторов, или даже стать основой системы управления молниями — как известно, они также распространяются в мгновенно возникающих в воздухе плазменных каналах. Впрочем, подробно о молниях мы уже рассказывали в статье «Секретное оружие богов».
По пресс-релизу ФИАН-Информ