飞秒强激光成丝在人工降雨方面的新问题及其新应用研究

Achievement of femto-second laser system has greatly promoted the study on laser-matter interactions. Ever since laser filamentation was observed, it has been hotly studied and applied in many fields, such as laser pulse compression, remote sensing, pollution detection, lightning control, rainmaking etc. Our project aims to study the new problems arising in the laser filamentation-induced rainmaking field, and their potential applications. The topics include that analysis of contribution of different nuclei on the laser filamentation-induced water condensation and snow formation, study on the physical mechanisms underlying the tight dependence of water condensation and snow formation on the air flow movement, and exploring the best scheme of improving the laser-based rainmaking efficiency. Our project also intends to preliminarily investigate the new application of laser filamentation-induced rainmaking in smog removal, by working on the influence of laser-induced rain/snow formation on the smog particle size and density evolution, the smog ingredients detection and so on. Our research mainly relies on experimental study and also assistance of simulation works.

飞秒激光的出现极大地促进了激光与物质相互作用的发展。飞秒激光的成丝现象的被发现，使其被广泛研究并在光脉冲压缩，远程遥感、污染物成份探测，人工引雷，人工降雨等领域有着极其重要的应用。本项目拟研究飞秒激光成丝在人工降雨方面出现的诸多新问题及其新应用。具体研究内容包括：飞秒激光成丝诱导水凝结和降雪的各类凝结核贡献的定量分析；光丝周围气流运动与水凝结和降雪量存在紧密依赖关系的物理机制研究；探索提高飞秒激光成丝在人工降雨方面的效率的最佳方案等。本项目还计划在前面研究的基础上，进行飞秒激光成丝诱导人工降雨在雾霾消除中新应用初步探索，包括光丝诱导降雨/降雪对雾霾颗粒尺寸和密度的影响，雾霾污染物成份的探测等。本项目的研究手段以实验为主，模拟为辅。

光丝是飞秒强激光在透明介质中传输时，克尔自聚焦效应与等离子体自散焦效应相互平衡的一个动态过程。这个平衡过程光丝内部激光强度及等离子体密度得到钳制。空气中，激光强度钳制在3-5×10(13)W/cm(2),等离子体密度1×10(16)/cm(3)。高密度等离子体通道是良好的导电体，且等离子体的产生会诱导一系列光化学反应，产生吸湿性化学物质，是诱导水汽凝结等的良好凝结核。由于等离子体通道产生位置远程可控、长度可调，近几年来，飞秒光丝被认为是有望替代传统人工影响天气技术的创新手段。本项目我们首先研究了飞秒激光成丝产生凝结核的种类，利用粒子计数器，云凝结核计数器，证实了光丝诱导气溶胶的产生，气溶胶的尺寸集中在20-200nm之间，其中气溶胶70%的质量已被证实是吸湿性盐类，在过饱和条件下（S=1.008%），粒径大于30nm的气溶胶均转化为凝结核，诱导水汽凝结。其次研究了光丝热气流运动对诱导水汽凝结及沉降的影响机理研究，发现光丝诱导剧烈的气流热力学运动，特别在温差较大的环境下，能够充分混合不同温湿度气体，形成过饱和态，我们对不同温湿度条件下，热气流运动混合气体产生的过饱和度进行了计算，证实了过饱和条件的存在。这些过饱和态的存在，促进了凝结颗粒尺寸的进一步增长，形成沉降（降雪）。随后利用加热丝、风扇替代光丝，研究了光丝热效应对诱导水汽凝结及沉降的贡献。实验发现热效应及气流扰动都可以单独诱导大量雪花形成。结合这些实验，我们形成完整物理图像：光丝诱导水汽凝结及沉降的过程，依赖光丝诱导产生吸湿性化学物质，同时在环境存在大温差的条件下，热气流对形成沉降的作用至关重要。最后通过改变脉冲啁啾，激光能量，聚焦条件，环境气体成份等参数，我们发现提高光丝诱导水汽凝结及沉降的效率，与成丝过程等离子体密度有最直接的关联。以上结果加深了飞秒激光与云雾相互作用的物理机理的理解，并积极推动了飞秒激光技术在人工影响天气领域的应用。