В. В. Аполлонов, д.ф.-м.н.. професор.
З іншого боку в останні 20 років в лабораторіях багатьох розвинених країн ведуться дослідження зі створення ефективної системи лазерної блискавкозахисту. В основі такої лазерної системи лежить так звана довга лазерна іскра, що з'єднує грозову хмару з заземленим металевим стрижнем - класичним блискавковідводом. Максимальні довжини керованого лазерною іскрою електричного розряду
16 м були отримані нами в Японії при використанні імпульсних СО2 лазерів з енергією
0.5 кДж і сферичної оптики (рис.1).
Пізніше нами також було показано, що набагато більш досконалі характеристики з точки зору провідності каналу демонструє довга лазерна іскра, отримана за допомогою конічної оптики. У даній роботі вперше пропонується використовувати в якості однопровідною лінії що з'єднує два резонансних контуру довгу лазерну іскру, створену за допомогою конічної оптики.
В даний час серед величезної кількості різних типів лазерів для направляються лазерною іскрою електричних розрядів знайшли широке застосування тільки два типи: імпульсні СО2 лазери і Фемтосекундний твердотільні лазери.
Основною перевагою фемтосекундних лазерів є можливість створення в атмосфері вздовж напрямку поширення лазерного променя одного або декількох паралельних іонізованих каналів (т.зв. филаментов) з характерним діаметром 100 мкм. При оціночних щільності електронів в таких філаментах до 10 16 см -3 і довжині хвилі лазера в інтервалі 0.5 - 1.0 мкм плазма практично не поглинає лазерне випромінювання. У цьому випадку довжина каналу визначається інтенсивністю лазерного випромінювання і в разі енергії фемтосекундного імпульсу
100 мДж може досягати 150 - 200 м. Можливість істотного збільшення довжини филаментов може бути пов'язана тільки із застосуванням унікальних надпотужних фемтосекундних лазерних систем з енергією
1 Дж і більше. Такі системи в даний час існують у вигляді унікальних лабораторних стендів і навряд чи можуть бути використані для комерційних і військових застосувань.
У разі використання імпульсних СО2 лазерів і класичної сферичної або конічної оптики довжина іскрового каналу визначається параметрами каустики лазера і тієї її частини в якій інтенсивність випромінювання перевищує порогову для оптичного пробою повітря. Наявність порога по інтенсивності пов'язана з особливостями механізму формування плазми в якому відбувається лавинної розмноження вихідних «фонових» електронів в поле лазерного випромінювання. Принциповою відмінністю геометрії іскри в разі довгого імпульсу і сферичної оптики від випадку з фемтосекундними лазерами є те, що лазерна іскра займає обсяг всередині каустики від фокальній площині в бік лазера, тому що випромінювання лазера не може пройти через створену ним плазму. При цьому для формування максимально довгою іскри важливим є використання імпульсів СО2 лазера традиційної форми, тобто з коротким (50-100 нс) годуючи і довгим (1 - 3 мкс) хвостом. В цьому випадку довгий хвіст забезпечує догрів рухається назустріч лазерному променю і розширюється в каустиком лазерної плазми і, відповідно, збільшення довжини лазерної іскри. Довжини лазерної іскри в кілька сотень метрів були отримані ще в СРСР за допомогою СО2 лазера з енергією випромінювання
5 кДж і класичною формою імпульсу випромінювання.
У разі ж використання конічної оптики з'являється можливість формування лазерно-плазмових каналів істотно більшої довжини. За нашими оцінками довжина таких каналів в разі конічної оптики може досягати декількох десятків кілометрів при використанні імпульсно-періодичних СО2 лазерів з середньою потужністю в 0.1 - 1 МВт. В цьому випадку геометрія іскри зовсім інша: відбувається як би послідовне «схлопування» лазерного пучка на його осі, при цьому довжина області «схлопування» визначається тільки діаметром пучка на конічному дзеркалі і кутом конуса. У цьому випадку на відміну від сферичної оптики плазмовий фронт рухається в напрямку лазерного променя (тобто зверху фокусирующего дзеркала зовні), при цьому різні просторові області в перетині лазерного пучка формують різні ділянки плазмового каналу. Тому можливе формування дуже довгих лазерних іскор навіть при порівняно коротких довжинах лазерних імпульсів. Фотореєстрація іскри показала, що вона складається з безлічі майже дотичних між собою елементів, за формою нагадують китайську шапочку і розташованих на однаковій відстані одна від одної (рис. 2).
Таким чином, при проведенні експериментів з передачі електричної енергії між двома резонансними контурами, розташованими на відстані 1 - 100 м, цікаво використовувати обидва типи лазерів і порівняти їх ефективність. У той же час для створення комерційних систем наддалекої передачі енергії потужні високочастотні імпульсно-періодичні СО2 лазери виглядають більш перспективними, оскільки володіють істотно більш низьким порогом оптичного пробою повітря і є інженерно - технічно більш просунутими в плані масштабування вихідний енергетики до багатьох сотень кіловат.
Важливою особливістю пропонованих нами експериментів по зв'язку двох резонансних контурів по лазерно-плазмовому каналу є скоєно інша роль цього каналу. В експериментах по високовольтних розрядів провідність каналу відігравала вирішальну роль, в нашому випадку лазерно-плазмовий канал, також як і тонка дріт очевидно грає роль покажчика напрямку для руху електромагнітної хвилі уздовж створюваної лазером однопровідною лінії.
Як вже говорилося вище, геометрія плазмових каналів для двох типів лазерів абсолютно різна: набір тонких паралельних один одному филаментов (фемтосекундний лазер) або ячеистая одноканальна більш-менш однорідна плазма (потужний СО2 або ДФ лазери). Однак, цей фактор, також як і провідність плазмового каналу, може не мати вирішального значення.
Таким чином, на даний момент не можна стверджувати, що будь-якої з двох типів лазерів має вирішальне перевага для планованих експериментів при невеликих (кілька метрів) довжинах лазерно-плазмового каналу. Проте ми плануємо почати роботу з використанням добре відпрацьованого імпульсного СО2 лазера, який є в наявності, а в подальшому використовувати також і серійний фемтосекундний лазер з енергією
10 мДж та порівняти ефективність двох лазерів в рішенні поставленого завдання.
Для формування довгою лазерної іскри за допомогою конічної оптики вперше пропонується використовувати два варіанти тимчасової форми випромінювання лазера:
1) імпульс вільної генерації многоатмосферного СО2 лазера тривалістю
50 нс, що не має традиційного хвоста з тривалістю в кілька мікросекунд,
2) цуг сверкороткіх (10 - 100 пс) лазерних імпульсів випливають із інтервалом
10 нс і з обвідної, що має форму імпульсу вільної генерації.
У першому випадку пікова потужність імпульсу з енергією
20 Дж відповідає пікової потужності традиційного імпульсу (з довгим хвостом) з енергією 200 - 300 Дж, у другому випадку за рахунок великої шпаруватості цуга, тобто. співвідношення періоду проходження до тривалості, вона зростає ще більше, до 103 разів. Використання високих пікових потужностей дозволить істотно знизити енергетичні пороги пробою повітря і розраховувати на отримання довжин лазерної іскри 3 - 5 м при порівняно малій (для СО2 - лазера) енергії випромінювання 10-20 Дж.
Експерименти проведені нами раніше в ІОФРАН з традиційною формою випромінювання СО2 лазера і невеликим (до 600 В) потенціалом доданому до «кінців» лазерної іскри показали, що світіння лазерної плазми зберігається протягом 5 - 10 мкс, в той час як провідність лазерно-плазмового каналу існує значно довше - протягом 50 -100 мкс. В ході експериментів пропонується визначити тимчасову динаміку лазерної плазми як при наявності високої напруги на передавальному резонансному контурі, так і без нього. Результати цих вимірювань дозволять зробити висновки про вплив процесу передачі електричної енергії на підтримку провідності лазерно-плазмового каналу. Необхідно буде також дослідити вплив затримки моменту формування лазерної плазми по відношенню до певної фазі високої напруги на передавальному контурі, скажімо, максимуму позитивного потенціалу по відношенню до землі, на ефективність передачі енергії.
Результати зазначених експериментів допоможуть зробити висновки про оптимальну частоті проходження імпульсів в планованих надалі експериментах при використанні СО2 лазера із середньою потужністю випромінювання 100 кВт і частотою проходження імпульсів 10 - 50 кГц. збігається з частотою резонансних контурів, що за нашими оцінками дозволить збільшити довжину відтвореного лазерно-плазмового каналу до декількох кілометрів, а також дослідити можливість параметричної підкачки енергії за рахунок лазерного джерела.
Таким чином, дана публікація робиться з метою знаходження коштів для проведення добре підготовленої науково-дослідної та дослідно - конструкторської роботи "Передача енергії через лазерно - плазмовий канал за допомогою резонансного методу Н. Тесли".