Микроволновые генераторы субнаносекундных импульсов с пассивной синхронизацией мод

В Институте прикладной физики РАН впервые в мощной СВЧ электронике реализован генератор периодических последовательностей субнаносекундных импульсов на основе пассивной синхронизации мод [1-2].

Пассивная синхронизация мод, как метод генерации периодических последовательностей ультракоротких оптических импульсов (УКИ), хорошо известна в лазерной физике. Для реализации метода в резонатор лазера дополнительно к активной среде устанавливается нелинейный поглотитель – элемент, который поглощает или увеличивает дифракционные потери для сигнала малой интенсивности и практически без потерь пропускает излучение большой интенсивности. В результате создаются условия, при которых внутри системы формируется и циркулирует световой импульс большой амплитуды, а все малые шумы и флуктуации поля подавляются. Выходное излучение при этом представляет периодическую последовательность сверхкоротких оптических импульсов. На спектральном языке этот процесс может быть интерпретирован как синхронизация большого числа продольных мод лазерного резонатора.

Проведённые теоретические исследования показали возможность переноса описанного метода в СВЧ электронику. Ключевым моментом для разработки электронного УКИ генератора с пассивной синхронизацией мод стала разработка поглотителя, который должен обеспечить насыщающееся поглощение в микроволновом диапазоне на уровне мощности десятки и сотни киловатт. Для этой цели было предложено использовать циклотронно-резонансное поглощение излучения при взаимодействии излучения с первоначально прямолинейным электронным потоком в регулярном волноводе. Насыщение поглощения в этом случае обусловлено релятивисткой зависимостью гирочастоты от энергии частиц. Для проведения экспериментов в миллиметровом диапазоне в качестве усилителя была использована широкополосная гиро-ЛБВ с многозаходным винтовым волноводом. Схема реализованного генератора, включающего секцию усиления и секцию нелинейного поглощения, соединённые внешней квазиоптической линией передачи представлена на рис. 1а. В соответствии с результатами теоретического анализа [1] в диапазоне 30 ГГц в проведенных экспериментах были получены последовательности субнаносекундных (0,4 нс) импульсов с пиковой мощностью 100 кВт, частотой следования 0.4 ГГц и высокой степенью фазовой корреляции (рис 1б).

Проведенные эксперименты открывают возможность реализации нового класса импульсных генераторов, которые, в зависимости от диапазона и мощности, могут найти приложения в радиолокации высокого разрешения и спектроскопии.

Авторский коллектив:
Н.С. Гинзбург, С.В. Самсонов, Г.Г. Денисов, М.Н. Вилков, И.В. Зотова, А.А. Богдашов, И.Г. Гачев, А.С. Сергеев, Р.М. Розенталь.

Публикции:

1. N.S. Ginzburg, G.G. Denisov, M.N. Vilkov, A.S. Sergeev, S.V. Samsonov, A.M. Malkin, and I.V. Zotova. Nonlinear Cyclotron Resonance Absorber for a Microwave Subnanosecond Pulse Generator Powered by a Helical-Waveguide Gyrotron Traveling-Wave Tube // Phys. Rev. Applied 13, 044033 (2020).
2. N.S. Ginzburg, S.V. Samsonov, G.G. Denisov, M.N. Vilkov, I.V. Zotova, A.A. Bogdashov, I.G. Gachev, A.S. Sergeev, and R.M. Rozental. Experimental Realization of a Ka-band 100-kW subnanosecond pulse generator mode-locked by nonlinear cyclotron resonance absorber // Phys. Rev. Applied 16, 054045 (2021).