Впервые лазер смог превратить плазму в передатчик радиосигнала

Исследователи из Университета штата Северная Каролина впервые показали в действии передающую антенну, которую формирует лазерный луч в виде плазмы. Конструкция «напоминает световой меч»: радиосигнал излучает не металлический стержень, а тонкая нить ионизированного воздуха. В ходе эксперимента она передавала сигнал на частоте 30 МГц. Приёмная антенна зафиксировала уровень сигнала в 2,5 раза выше, чем при отсутствии плазменной нити.

Чтобы получить такую антенну, учёные подобрали лазер с определённой мощностью и диаметром луча. Излучение ионизировало воздух: из молекул газа выбивались электроны, и возникал узкий плазменный канал, состоящий из свободных электронов и положительных ионов. Заряженные частицы откликаются на электромагнитное поле, поэтому плазма способна выполнять функцию проводника, как в обычной антенне. Сам лазер радиосигнал не передаёт: его задача — создать среду, которая этот сигнал излучает.

Вторым ключевым элементом разработки стал бесконтактный способ подачи сигнала на плазменную нить. Подключение металлического провода напрямую могло бы нарушить её структуру, поэтому исследователи применили металлическое кольцо, которое действует как конденсатор. Лазерный луч проходил через центр кольца и формировал плазменный канал, а радиочастотный генератор подавал сигнал на само кольцо. Возникавшее переменное электрическое поле воздействовало на плазму без физического контакта, и она начинала излучать радиоволны.

Работоспособность устройства проверяли на частоте 30 МГц, расположив приёмную антенну в 5 см от плазменной нити. Сначала специалисты измерили сигнал при выключенном лазере, когда действовала лишь система бесконтактной подачи, а затем повторили замер с включённым лазером. В этом случае уровень принятого сигнала увеличился на 150%. Поскольку измерения проводились в ближней зоне, эксперимент подтвердил саму способность плазменной нити излучать радиосигнал, но не доказал возможность связи на значительном расстоянии.

Классические антенны максимально эффективны в определённых диапазонах частот, которые зависят в том числе от их физических размеров. Чтобы изменить длину и направление металлической антенны, могут потребоваться дополнительные механизмы. Это особенно неудобно для спутников, где критичны масса оборудования и сложность его развёртывания после вывода на орбиту. В плазменной системе длину нити предполагается настраивать параметрами лазера, а направление — поворотом луча. Такой подход может пригодиться в спутниковой связи, радиолокации и других системах, где необходимо менять направление излучения.

Следующая задача команды — выяснить, какое количество энергии требуется для поддержания плазменной нити и насколько эффективно она передаёт сигнал в разных условиях. Затем исследователи намерены улучшить характеристики устройства и проверить, насколько далеко можно продвинуть принцип, чья работоспособность уже подтверждена в лаборатории.

Источник: iXBT