【doc】飞秒激光等离子体通道传导能量特性的研究进展(2)

8DependenceofmtenuationlengthoffundamentalmodeOilwavelengthofrfelectromagneticwaveinsix—filament—claddingwaveguide由于激光诱导的等离子体折射率高于非电离空气的折射率,所以可将等离子体波导等价于光子晶体光纤(PCFs),使粒子信号在光束等离子体包层中发生全反射,从而实现信号传导。而该波导的等离子体包层对电浆波信号有当然的吸收作用,造成信号的衰减。当等离子体通道和波导的圆形分别设为0。8cm,1。2cm时,对比有等离子体包层吸收消耗和无吸收消耗两种情形下,射频电磁波的传输长度(电浆波振幅降至原值1/e传输距离)随其光谱的改变关系如图8所示,由此可知等离子体包层对电浆脉冲信号的衰减达到几个人数级,是影响传输距离的主要原因。'以及,影响电磁波传输性能的数学要素以及众多。2010年,A。E。Dormidonov等人基于上述设计思想,理论上建立了如图9所示的圆形等离子体波导模型,图中LRh分别为波导长度,直径和波导壁厚。等离子体圆柱波导空间结构Fig。

9Structureofcylindricalplasmawaveguide波导的宽度L取决于等离子体通道的宽度pl,可达数米。理论上,可将飞秒激光射线分裂成多个高斯光束,如图10所示,若环上的每位高图10环形高斯光束的分布模型Fig。10InitialintensitydistributionofGaussianbeamwithregularinitialmodulmion斯闪电功率都达到激光自聚焦的阀值功率时,就可以在气流中诱导多条等离子体丝产生柱形等离子体波导,如图11所示。138中国光学第5图11环柱形等离子体波导分布模型Fig。11Schematicpictureofcylindricalbunchofplas—machannels电磁脉冲信号还能在等离子体波导中传播需要满足下列条件:2。trc/oJpl=Ap1<AMwRg《pl,(1)式中:和ADJ分别为等离子体频率和脉宽,Aw为电浆波波长,即等离子体光谱小于电磁波波长,且等离子体波导壁厚要多于电磁波在等离子体波导传播时的趋肤深度,其表达式如下:6=~/2,rctrtoMw,(2)为等离子体电导率,60w为电浆波频率。

可以看出,提高电磁波的频度可减少等离子体波导的趋肤深度,从而提高等离子体对电浆信号的衰减,有助于电磁波在等离子体波导中的长距离传输。以传导TE波为例,波导纵向波矢h包括决定相速的实部h和表征波导中消耗的虚部h":当等离子体体积为10cm～,取不同波导半径时,电浆波传输长度1/h"随其光谱的改变关系如图12所示。图12不同波导半径下电磁波传输长度1/h长的改变关系Fig。12Extinctionlengthllh"versuswavelengthnfmicrowaveradiationfordifferentwaveguideradii从图中可以看出,等离子体波导半径越大,电磁波的消耗越小,传输距离越远,这与RomanR。Musin等人的研究结果吻合。且当电磁波波长约等于波导半径时,电浆波的传输长度最长。M。N。Shneider等人也对多丝等离子体通道传导射频能进行了理论研究,这为等离子体波导的空间结构设计确立了理论基础。到当前为止,所以深受飞秒激光系统输出脉冲能量的受限,对于实现空芯圆柱形波导模型的试验报道较少,只有加拿大M。Chateauneuf人l4在2008年开展过相关试验研究的报道。

他们借助Ti蓝水晶飞秒激光系统输出脉宽为27fs,脉冲能量为1。5J的光束,由变形镜(DeformableMirror,DM)在空问上调制激光形状,使其产生中心对称的光环,实喇叭的圆形要略高于等离子体环的圆形,以防止等离子体与合金喇叭发生接触而互相作用,形成信号干扰。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139图14空芯柱形等离子体波导传导射频电磁能的实验设备图Fig。14Schematicexperimentalsetupofrfelectromag—neticenergyguidedbyhollowcylindricalplas—mawaveguide图l5电磁波信号探测信号Fig。

15Detectedelectromagneticsignal天线喇叭所接收到的粒子信号由单片机进行检查,得到如图15所示的电平图,虚线代表没有等离子体波导时的讯号传输状况,虚线是单片机通过等离子体波导所感应到的讯号。可以看出由等离子体波导传输射频信号所得到的强度是自由空间信号传输强度的6倍,说明了多丝等离子体波导具有很好的粒子波传导能力。从现有的研究结果来看,空芯柱形多等离子体丝构成的波导比双丝传输线的射频传输效果要好,这样波导结构有望在瞬时,虚拟传输线定向传导高能量密度电磁能方面发挥很大的效果。结束语飞秒激光在气流中诱导等离子体通道是个极具研究价值的新科学情况,具备极大的潜在应用价值。因飞秒激光等离子体丝可以灵活,随时地接线和挥手,在非接触传递热能和粒子能方备潜在的使用前景。目前对该情况的一些数学性质已开展了较多的基础研究工作,这为激光等离子体通道早日应用来实际确立了坚实的理论基础。现有的理论和试验研究结果充分证明了飞秒激光等离子体通道能够有效地传导电能和射频电磁能。就其传导射频电磁能方面而言,其传导能力与粒子波模式,电浆波频率以及等离子体波导模型等化学参量间的关系有待进一步广泛,深入的研究参考典籍:[1]HAOZQ,ZHANGJ,"YT,eta1。

。Prolongationofthefluorescencelifetimeofplasmachannelsinairinducedbyfemto—secondlaserpulses[J]。App1。脚。B,2005,80:627—630。[2]MI~JEANG,KASPARIANJ,SALMONIE,eta1。。Towardsasupercontinuumbasedinfraredlidar[J]。App1。Phys。B,2003,77(2—3):357—359。[3]B~JOTP,BONACINAL,EXTERMANNJ,eta1。。32TWatmosphericwhitelightlaser[J]。App1。Phys。Lett。,2007,90(15):151106。1。[4]林晨。新型遥感探测仪器一黑影激光雷达的研究与实现[D]。武汉:中国科学院武汉物理与学科研究所,2008。LINCH。Researchandrealizationofnewremotesensinginstrumentwhitelightlidar[D]。Wuhan:WuhanInstituteofPhysicsandMathematics,ChineseAcademyofSciences,2008。

(inChinese)[5]MI~JEANG,BOURAYOUR,KASPARIANJ,eta1。。Femtoseeondwhitelightlidarforsimukaneouscloudparticlesizingandhumiditymeasurements『C]//the22ndInternationalLaserRadarConference(ILRC22),Basilieate,Italy,July1216,2004:29—32。一一一一140中国光学第5broadbandcontinuumgenerationwithtransientself-focusingofaterawattlaserpulseinraregases[J]。Aptf1。P。B,2003,77(2-3):171—175。[7]KASPARIANJ,RODRIGUEZM,MEJEANG,eta1。。Whitelightfilamentsforatmosphericanalysis[J]。Science,2003,301(5629):61—64。[8]RODRIGUEZM,BOURAYOUR,KASPARIANJ,eta1。

。FemtosecondLIDAR:newperspectivesofatmosphericremotesensing[J]。SP1E,2003,5149:135—146。[9]司福祺,刘建国,谢品华,等。差分吸收波长技术在气液相监测行业的使用研究[J]。大气与环境光学,2007,2(2):131—135。SIFQ,LIUJG,XIEPtt,eta1。。Aerosolmonitoringbydifferentialopticalabsorptionspectroscopy[J]。J,AtmosphericEnvironmentalOpt。,2007,2(2):131—135。(inChinese)[10]XUHI,CHINSL,ela1。。Femtosecondlaserfilamentationforatmosphericsensing[J]。Sensors,2011,11:32—53。[11]LAZICV,FANTON1R,COLAOF,eta1。。Quantitativelaserinducedbreakdownspectroscopyanalysisofancientmarblesandcorrectionsforthevariabilityofplasmaparametersandofablationrate[J]。

Ana1。At。Spectrom。,2004,19:429-436。[12]deGIACOMOA,DELIAGIIOM,COLAOF,eta1。。Doublepulselaserproducedplasmaonmetallictargetinseawater:basicaspectsandanalyticalapproach[J]。Spectrochim。ActaB,2004,59:1431—1438。[13]CREMERSD,RADZIEMSKIL。HandbookofLaserInducedBreakdownSpectroscopy[M]。Hoboken:JohnWiley&Sons。,Ltd,2006。[14]BAUDELETM,GUYONL,YUJ,eta1。。SpectralsignatureofnativeCNboundsforbacteriumdetectionandidentificationusingfemtosecondlaserinducedhreakdownspectroscopy[J]。App1。Phys。Lett。,2006,88:063901。

[15]BAUDELETM,YuJ,BOSSUM,eta1。。Discriminationofmicrobiologicalsamplesusingfemtosecondlaser—inducedbreakdownspectroscopy_J]。App1。Phys。Lett。,2006,89:163903。[16]BAUDELETM,GUYONL,YUJ,eta1。。Femtosecondtimeinducedbreakdownspectroscopyfordetectionandidentificationofbacteria:acomparisontothenanosecondregime[J]。App1。Pf。,2006,99:084701。[17]段作梁,陈建平,方宗豹,等。1kHz飞秒激光脉冲在气流中传输成通道的进化过程[J]。应用数学学快报,2003,53:473-477。DUANZL,CHENJP,FANGZB,eta1。。EvolvementoffilamentationoffemtosecondlaserpulsesofakHzrepetitionratepropagatinginair[J]。

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-118887-2.html