Modulation instability and soliton formation under interaction of an electromagnetic wave with a beam of unexcited non-isochronous electron–oscillators

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

This paper develops the theory of modulation instability (MI) in the interaction of an electromagnetic wave with a counterpropagating beam of unexcited electron-oscillators under the cyclotron resonance conditions. The purpose of this study is to establish the pattern of possible wave propagation regimes in such a system. Methods. The theoretical analysis is based on the nonlinear Schrodinger equation, which enables to determine the conditions for occurrence of MI and obtain a simple analytical expression for the boundary between the absolute and convective MI on the wave frequency – wave amplitude parameter plane. The theoretical conclusions about possible regimes of wave propagation are verified by direct 3-D particle-in-cell (PIC) simulation of the electronwave interaction. The obtained results show that above the boundary of cyclotron absorption band non-stationary self-modulation regimes occur. These regimes are caused by absolute MI and can lead to the formation of solitonlike pulse trains. As the frequency of the input signal increases, self-modulation is replaced by a stationary single-frequency regime of wave propagation. This transition is due to the change of MI character from absolute to convective. The results of 3-D PIC simulation are consistent with the theoretical analysis of the averaged equations, and the same sequence of transitions between different dynamic regimes occurs as the input frequency increases. Conclusion. 3-D PIC simulation provided an opportunity to study a model that approximates the conditions of a potential experiment. The possibility of converting the 241.3-GHz signal into a close-to-periodic train of nanosecond pulses was demonstrated. Such an effect is useful for the generation of microwave frequency combs.  

About the authors

Naum Samuilovich Ginzburg

Institute of Applied Physics of the Russian Academy of Sciences

ORCID iD: 0000-0001-7729-1035
SPIN-code: 9068-8220
Scopus Author ID: 35482026700
ResearcherId: A-8231-2014
ul. Ul'yanova, 46, Nizhny Novgorod , 603950, Russia

Vladislav Yurevich Zaslavsky

Institute of Applied Physics of the Russian Academy of Sciences

ORCID iD: 0000-0003-2417-645X
Scopus Author ID: 8324908700
ResearcherId: F-9504-2017
ul. Ul'yanova, 46, Nizhny Novgorod , 603950, Russia

Irina Valeryevna Zotova

Institute of Applied Physics of the Russian Academy of Sciences

ORCID iD: 0000-0003-0350-2615
SPIN-code: 7248-2454
Scopus Author ID: 7004728013
ResearcherId: A-8169-2014
ul. Ul'yanova, 46, Nizhny Novgorod , 603950, Russia

Alena Alexandrovna Rostuntsova

Saratov Branch of Kotel`nikov Institute of Radiophysics and Electronics of Russian Academy of Sciences; Institute of Applied Physics of the Russian Academy of Sciences; Saratov State University

ORCID iD: 0000-0002-6795-2108
SPIN-code: 2544-8724
Scopus Author ID: 57204902473
ResearcherId: AAA-4540-2022
ul. Zelyonaya, 38, Saratov, 410019, Russia

Nikita Mikhailovich Ryskin

Saratov Branch of Kotel`nikov Institute of Radiophysics and Electronics of Russian Academy of Sciences; Saratov State University

ORCID iD: 0000-0001-8501-6658
SPIN-code: 6789-9002
Scopus Author ID: 7003373306
ResearcherId: K-2549-2012
ul. Zelyonaya, 38, Saratov, 410019, Russia

Alexander Sergeevich Sergeev

Institute of Applied Physics of the Russian Academy of Sciences

ul. Ul'yanova, 46, Nizhny Novgorod , 603950, Russia

Lev Aleksandrovich Yurovskiy

Institute of Applied Physics of the Russian Academy of Sciences

ORCID iD: 0000-0002-9522-6242
SPIN-code: 9610-3300
Scopus Author ID: 57205021030
ResearcherId: AAG-3357-2021
ul. Ul'yanova, 46, Nizhny Novgorod , 603950, Russia

References

  1. Гинзбург Н. С., Зотова И. В., Сергеев А. С., Кочаровская Е. Р., Яландин М. И., Шунайлов С. А., Шарыпов К. А., Рыскин Н. М. Эффекты усиления, компрессии и самоиндуцированной прозрачности при распространении ультракоротких электромагнитных импульсов вдоль квазистационарных электронных потоков // Изв. вузов. Радиофизика. 2011. Т. 54, № 8-9. С. 599-606.
  2. Ginzburg N. S., Zotova I. V., Cross A. W., Phelps A. D.,R, Yalandin M. I., Rostov V. V. Generation, amplification, and nonlinear self-compression of powerful superradiance pulses // IEEE Trans. Plasma Sci. 2013. Vol. 41, no. 4. P. 646-660 doi: 10.1109/TPS.2013.2252369.
  3. McCall S. L., Hahn E. L. Self-induced transparency by pulsed coherent light // Phys. Rev. Lett. 1967. Vol. 18, no. 21. P. 908-911 doi: 10.1103/PhysRevLett.18.908.
  4. Рыскин Н. М., Трубецков Д. И. Нелинейные волны. М.: URSS, 2021. 312 с.
  5. Гинзбург Н. С., Зотова И. В., Сергеев А. С. Самоиндуцированная прозрачность, компрессия и остановка электромагнитных импульсов при взаимодействии с пучками невозбужденных классических осцилляторов // ЖЭТФ. 2011. Т. 140, № 5(11). С. 890-899.
  6. Зотова И. В., Гинзбург Н. С., Железнов И. В., Сергеев А. С. Модуляция интенсивного СВЧ излучения при резонансном взаимодействии со встречным потоком невозбужденных циклотронных осцилляторов // Письма в ЖТФ. 2014. Т. 40, № 12. С. 1-10.
  7. Zotova I. V., Ginzburg N. S., Sergeev A. S., Kocharovskaya E. R., Zaslavsky V.,Y u. Conversion of an electromagnetic wave into a periodic train of solitons under cyclotron resonance interaction with a backward beam of unexcited electron-oscillators // Phys. Rev. Lett. 2014. Vol. 113, no. 14. P. 143901 doi: 10.1103/PhysRevLett.113.143901.
  8. Гинзбург Н. С., Зотова И. В., Кочаровская Е. Р., Сергеев А. С., Железнов И. В., Заславский В. Ю. Солитоны самоиндуцированной прозрачности и диссипативные солитоны в системах микроволновой электроники // Изв. вузов. Радиофизика. 2020. Т. 63, № 9-10. С. 796-824.
  9. Гапонов А. В., Петелин М. И., Юлпатов В. К. Индуцированное излучение возбужденных классических осцилляторов и его использование в высокочастотной электронике // Изв. вузов. Радиофизика. 1967. Т. 10, № 9-10. С. 1414-1453.
  10. Benirschke D. J., Han N., Burghoff D. Frequency comb ptychoscopy // Nat. Commun. 2021. Vol. 12, no. 1. P. 4244 doi: 10.1038/s41467-021-24471-4.
  11. Hagmann M. J. Scanning frequency comb microscopy—A new method in scanning probe microscopy // AIP Advances. 2018. Vol. 8, no. 12. P. 125203 doi: 10.1063/1.5047440.
  12. Rostuntsova A. A., Ryskin N. M., Zotova I. V., Ginzburg N. S. Modulation instability of an electro-magnetic wave interacting with a counterpropagating electron beam under condition of cyclotron resonance absorption // Phys. Rev. E. 2022. Vol. 106, no. 1. P. 014214. 10.1103/PhysRevE.106.01421410.1103/PhysRevE.106.014214.
  13. Ростунцова А. А., Рыскин Н. М. Исследование характера модуляционной неустойчивости при циклотронном резонансном взаимодействии излучения со встречным прямолинейным пучком электронов // Известия вузов. ПНД. 2023. Т. 31, № 5. С. 597-609 doi: 10.18500/0869-6632-003067.
  14. Benjamin T. B. Instability of periodic wavetrains in nonlinear dispersive systems // Proc. R. Soc. Lond. A. 1967. Vol. 299, no. 1456. P. 59-76 doi: 10.1098/rspa.1967.0123.
  15. Островский Л. А., Потапов А. И. Введение в теорию модулированных волн. М.: Физматлит, 2003. 400 с. 1.03.
  16. Zakharov V. E., Ostrovsky L. A. Modulation instability: The beginning // Physica D. 2009. Vol. 238, no. 5. P. 540-548 doi: 10.1016/j.physd.2008.12.002.
  17. CST Studio Suite Electromagnetic Field Simulation Software , Dassault Systèmes, Vélizy Villa-coublay, France, 2020. [Electronic resource] // Available from: https://www.3ds.com/products/simulia/cst-studio-suite.
  18. Nusinovich G. S., Korol M., Jerby E. Theory of the anomalous Doppler cyclotron-resonance maser amplifier with tapered parameters // Phys. Rev. E. 1999. Vol. 59, no. 2. P. 2311-2321 doi: 10.1103/PhysRevE.59.2311.
  19. Балякин А. А., Рыскин Н. М. Смена характера модуляционной неустойчивости вблизи критической частоты // Письма в ЖТФ. 2004. Т. 30, № 5. С. 6-13.
  20. Balyakin A. A., Ryskin N. M. Modulation instability in a nonlinear dispersive medium near cut-off frequency // Nonlinear Phenomena in Complex Systems. 2004. Vol. 7, no. 1. P. 34-42.
  21. Захаров В. Е., Кузнецов Е. А. Оптические солитоны и квазисолитоны // ЖЭТФ. 1998. Т. 113, № 5. С. 1892-1914.
  22. Глявин М. Ю., Денисов Г. Г., Запевалов В. Е., Куфтин А. Н., Лучинин А. Г., Мануилов В. Н., Морозкин М. В., Седов А. С., Чирков А. В. Терагерцевые гиротроны: состояние и перспективы // Радиотехника и электроника. 2014. Т. 59, № 8. С. 745-751 doi: 10.7868/S0033849414080075.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».