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

 Для 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 навстречу 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

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). Требуется: 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.