【doc】飞秒激光等离子体通道传导能量特性的研究进展

飞秒激光等离子体通道传导能量属性的研究进展中国光学ChineseOpticsVo1。5No。2Apr。2012文章编号1674—2915(2012)02-0133—10飞秒激光等离子体通道传导能量属性的研究进展(长春理工学校理学院,吉林长春130022)前言:基于强飞秒激光诱导等离子体通道的完全性质,判断了等离子体通道在传导电能和射频电磁能时的一些完全问题。综述了飞秒激光等离子体通道传输电力和粒子能方面的新定义和新技术,重点描写了该行业近几年所取得的一些理论及使用的最新成果。最后,展望了飞秒激光等离子体通道在传导能量技术行业中的发展态势。关键词:飞秒激光脉冲;等离子体通道;能量传导;电能;射频电磁能中图分类号:TN241;053文献标志码:Adoi:10。3788/C0。20120502。0133ResearchofguidingenergywithplasmachannelinducedbyfemtosecondlaserinairRENYu,LIFu—jin,DONGXu能量传导装置,LINJing—quan(SchoolofScience,ChangchunUniversityofScienceandTechnology,Changchun130022,China)Correspondingauthor,E—mail:linfingquan@CUSt。

edu。cnAbstract:Accordingtothebasicpropertiesoftheplasmachannelinducedbyfemtosecondlasers,someissuesaboutplasmachannelguidingtheelectricenergyandtheRadioFrequency(RF)electromagneticenergyareanalyzed,andseveralnewconceptsandtechnologiesaboutthisfieldareoverviewed。Thelatestachievementsofthetheoryandapplicationsinthisfieldaredescribedemphatically。Finally,thedevelopmenttrendsoffem。tosecondlaserinducedplasmachanneltotransmitenergiesaregiven。Keywords:femtosecondlaserpulse;plasmachannel;guidingenergy;electricenergy;radio~equencyelectro—magneticenergy收稿日期:2011—12—11;修订日期:2012-01—13基金项目:国家自然医学基金捐助项目(No。

11074027)中国光学第5引言强飞秒激光脉冲在气流中传输时还能形成很长的等离子丝,即等离子体通道。产生的飞秒激光等离子体通道可传导电能,也可借助构成的传输线或波导传导射频电磁能,所以,强飞秒激光在气流中的传输问题备受国内脑科研人员的高度重视…。随着飞秒激光技术的进步还有人们对激光等离子体通道研究的不断深入,飞秒激光等离子体通道传导电能以及射频电磁能技术得到了长足的发展,其在光束雷达J,遥感,电浆诱导闪电,大气排放分析。,电浆诱导击穿光谱(LIBS)"。6]等行业的使用展示了良好的发展前景。本文基于飞秒激光等离子体属性,重点描述了近年来飞秒激光等离子体通道在传导电能以及射频电磁能方面的理论研究和重要使用。飞秒激光等离子体通道特性当强飞秒激光脉冲在气流中传输时,气流的非线性效应形成的非线性克尔自聚焦会使激光光束发生聚集,导致气流分子离化而产生等离子体;与此同样,等离子体又对电浆光束产生散焦作用,两种效果的动态平衡使激光在气流中形成长达数百米,甚至上千米引的等离子体通道,如强飞秒激光脉冲在气流中传输形成的长等离子体细通道Fig。1Longandminiplasmachannelinducedbyin—tensefemtosecondlaserinair所示。

飞秒激光等离子体通道由单根等离子体丝(外径在100～200m之间),双根等离子体丝或多根等离子体丝构成。丝内的光强维持在10～10w/cm之间,这样高的光强可使通道内的空气高度电离。通常等离子体通道内的电子密度为l0～10懈/cm。,单位宽度的通道电压在3。6x10～6。4x10m之间,较空气电阻(可能在l0～10m之问)增加了起码6个人数级。因此,等离子体通道具有很好的电导性激光等离子体通道传导电能的研究无论是飞秒激光等离子体单丝,双丝或多丝所构成的等离子体通道,其在传导电能的过程中所起的效果都非常于电路。早在20世纪70代,借助激光射线诱导闪电放电的技术就已推出l2。随着飞秒激光技术的发展还有对飞秒激光在大气中传输特性的研究不断深入,许多邻国和地区的一些研究小组都在试验室内进行激光等离子体通道诱导高压放电试验来模拟闪电控制l2,这种试验研究为最后将等离子体细通道应用来激光诱导闪电奠定了理论及试验基础。在试验中,借助带有凹槽的正负直流或沟通高压线圈问的自发放电也是自然放电模型,等离子体通道穿过两电极小孔构成回路,调整两极合(a)没有等离子体通道时的自由击穿放电(a1Freedischargewithoutplasmachannel(b)有等离子体通道时的诱使高压放电[291(b)Straightdischargewithplasmachannel激光等离子体通道诱导交流高压放电Fig。

2High—voltagedischargesinducedbylaserplasmachannel期任玉,等:飞秒激光等离子体通道传导能量属性的研究进展135适高压使等离子体通道恰好能够诱使高压放电。实验设备如图2所示。2005年,Tamo~auskas等人基于Bogatov致击穿电容模型_3,研究发现了等离子体通道穿过两电极时,放电击穿电容阈值从34kV/cm降低到10。4kV/cml3,说明了等离子体通道具有大幅度提高放电击穿电容阈值的能力。同年,中国科学院数学研究所张三人利用单脉冲输出最大能量为640mJ,波长为30fs,中心波长为800nm,重复频率为10Hz的极光号激光系统,借助焦距为2m和4m的光源聚焦在自由空间形成等离子体通道,并对其电导特性进行了研究。实验发现等离子体通道的电压率和接触电流的最小值出现在短焦距透镜的焦点处,所以可以借助提高等离子体通道稳定性和提高激光能量等方式降低等离子体通道的电压。2007年,该研究小组基于等离子体通道的导电特质,将飞秒激光等离子体通道用于诱发和指引长宽度的静态高压放电_33_,试验设备如图3所示。

实验证明了等离子体通道能使气流间隙的电击穿阈值降低至自然放电击穿阈值的40%。同时,借助实验数据测算得到了传导电能梯级先导的发展速度约为10cm/s,是随放电间隙和电源递增的时域,这与2000年BrunoLaFontaine等人的试验结果吻合。此次研究为超短脉冲激光等离子体通道引雷技术的发展确立了基础。飞秒激光等离子体通道诱发和指引长宽度的静态高压放电的试验设备Fig。3Schematicexperimentalset—upofhigh—voltagedischargeinducedbylonglaserplasmachannel基于上述研究,中国科学院武汉物理与学科研究所于2007年借助电学探测法对气流中飞秒激光等离子体通道的导电特质进行了基础研究,实行不同焦段的聚焦透镜,在不同的光束能量和不同的基团外加电流条件下,平等离子体通道的电压率进行了测量,得到了相似的试验结论并优化了基础理论研究。同年,欧洲的研究小组利用飞秒等离子体通道成为能源传输线开展了为法国高速铁路(TGV)提供能源的试验研究,实验数据表明等离子体通道能够传导直流或沟通电的时间>1S(这比光束脉冲时间要宽十几个人数级),这一试验结果显示利用等离子体通道为虚拟传输线进行无接触地传导电能的技术是十分具有使用前景的。

随着对飞秒激光等离子体通道的力学特点研究的不断发展,其在引雷技术行业的使用备受广大研究者的关注。激光引雷技术既没有排放又安全灵活,不受地点限制,所以可以连续工作。加拿大ComtoisD等人和欧洲Teramobilel3踟研究小组利用飞秒激光等离子体通道在高压下分别引导了2。8m和3。2m长的放电间隙。2008年,Ter。amobile研究小组对电浆等离子体通道引导自然界的天空闪电做了进一步的研究。他们在美国高山为3209m高的南伯帝峰顶端,借助重复频率为10Hz,单脉冲能量为270mJ,波长为600fs的光束系统向经过的雷电云发射激光脉冲,形成的100m长的等离子体多丝通道成功地在两云层间诱导局部放电,该项工作大天地推进了激光引雷技术的研究进展。等离子体通道传导射频电磁能的研究所以飞秒激光等离子体通道的电子密度可以超过10/em左右,理论上,等离子体通道非常于根复杂的圆形传输线,可以指引电磁波沿一定方向传输。传导射频电磁波的等离子体传输线主要包含单丝构成的通道传输线和双丝构成的通道传输线。另外,由等离子体多丝构成的空芯波导作为一种很好的射频能传导方式。

4。1飞秒激光等离子体单丝通道传输线2009年,D。ClintFriedman等人对飞秒激光等离子体单丝通道传输电磁能开展了试验研究。他们借助飞秒激光等离子体单丝通道对封闭空间(圆形波导和圆形共振腔)中的粒子场136中国光学第5进行指引,如图4所示。实验结果发现,当等离子体通道的电子密度和寿命超过一定值时,可降低磁路腔内电磁场的强度,表明该等离子体通道将部份射频电磁波携带并散播出去,所以圆形共振腔结构具有很好的质量优值,电浆场减弱情况尤为显著。Inputsignal(a)圆形波导(a)Rectangularwaveguides(b)圆形共振腔1(b)Cylindricalresonantcavity飞秒激光等离子体单丝通道传输线耦合射频电磁波实验设备图Fig。4Schematicexperimentalset—upofmonofilamentchanneltransmissionlineinducedbyfemtosec—ondlasercouplingifelectromagneticenergy4。2飞秒激光等离子体双丝通道传输线2009年,N。

A。Bogatov等人设计了"双丝"的传输线结构,并基于传统的双导体传输线传导电磁波原理,开展了传导射频电磁能的实验研究J。实验中的"双丝"传输线由互相平行的两条等离子体丝构成,其中一根使用圆形为0。5mm的铁丝来代替,另一根由中心波长为800nm,脉冲能量为3mJ,波长为100fs的rri宝石飞秒激光脉冲来形成,其内径约为100m。射频源输出的脉冲信号通过方形金属波导耦合到"双丝"间,再由另一个类似的波导接收并传输到二极管中,因而实现对射频信号的测试,如图5图5"双丝"波导结构Fig。5Waveguidestructurewithdoubletransmissionlines当"双丝"通道宽度为2。2cm时,测得的射频电磁脉冲信号如图6所示。由图6可以看出,"双丝"传输线成功地实现了传导射频电磁讯号。当变化两梯形波导的宽度时,得到电磁波信号强度随发射和接收讯号波导距离的提高而减少。在实际使用中,"双丝"传输线应该更适用于强电磁波能量,短距离传输。示波器探测到的粒子波信号Fig。6Detectedelectromagneticsignalsbyoscillograph4。

3飞秒激光等离子体多丝构成的空芯波导传导射频能早在1991年,哈佛本科GordonMcKay实验室的Hao—MingShen对空芯等离子体波导传导电磁波的肯定性进行了分析和理论研究_42J,他说明粒子波可以以相近光波的速率在梦想的光束等离子体波导中传输,其电平不发生变化。1997A。V。Gurevich等人也对该行业进行了基础研期任玉,等:飞秒激光等离子体通道传导能量属性的研究进展137究_4。但是能量传导装置,受当年激光技术水准的约束,长距离激光等离子体波导无法实现。2007年,莫斯科州立中学RomanR。Musin等人利用差分分析法对多丝构成的光束等离子体通道及其在传导电磁能方面的使用进行了研究。他们将等离子体丝排列成空芯圆柱阵列,其俯视图如图7所示。飞秒激光等离子体多丝构成的双层空芯波导模型Fig。7Modelofdoublelayeredhollowc~indriealplas-maswaveguideinducedbyfemtosecondlaserpulse由六根丝构成的等离子体丝方阵波导中,基模的传输长度与射频电磁波波长的改变关系Fig。

本文来自电脑杂谈，转载请注明本文网址：
http://www.pc-fly.com/a/dianqi/article-118887-1.html