面向空间能量传输的长距离激光等离子体通道产生机理及控制研究

Space power transmission by intense ultrashort laser is affected by properties of filamentation, such as length, as well as atmospheric conditions in propagation. So it is very important to investigate the physical mechanism and control method of inducing long filamentation by intense ultrashort laser pulse in special atmospheric environment. In this proposal, theoretical model will be established describing the nonlinear propagation of laser pulse in low density and positive density gradient air. The influence of atmospheric conditions and laser parameters to the mechanism and properties of filamentation will be studied. Linear propagation of laser pulse with special temporal and spatial intensity distribution will be coupled in the nonlinear model to get new approach of inducing long filamentation by laser pulse control. And with the experiments about the properties of filamentation in different density and guiding of electric discharges by filamentation, systematic research will be done on vertical propagation of intense ultrashort laser pulse from space to the ground. The research results would provide theoretical and experimental support in inducing long filamentation for the potential application of space power transmission by intense ultrashort laser filamentation.

超强超短激光等离子体通道在空间能量传输中的应用不仅与通道长度等特性密切相关，也受激光传输路径大气条件的影响。因此，对超强超短激光在特殊大气环境中传输，产生长距离等离子体通道的机理及控制的研究具有重要意义。本项目通过重构超强超短激光在低密度和正密度梯度大气中非线性传输的三维理论模型，研究大气条件和激光参数对等离子体通道产生机理及特性的影响；在理论建模时，将特殊时空间强度分布光束线性传输与非线性离化传输过程相耦合，研究基于光束相位控制和光束复合的激光等离子体通道延长新途径；结合超强超短激光在不同密度空气中传输特性和引导电能的实验，系统研究超强超短激光在大气中垂直传输的现象。项目的研究将为长距离激光等离子体通道的产生机理和控制提供理论和实验基础，并为基于激光等离子体通道的空间能量传输潜在应用提供支持。

本项目针对激光等离子体通道在空间能量传输中的应用及其关键技术，系统研究超强超短激光垂直穿过大气层的传输特性及其控制方法。主要进行的研究内容及重要结果如下：.首先，理论研究超强超短激光在低密度和正密度梯度大气中传输形成长距离等离子体通道的物理机理，对激光传输模型传输介质密度相关的参量进行针对性更改，数值模拟包括平台高度、初始空气密度、激光功率、光斑大小、预聚焦条件和初始时间啁啾等条件对产生等离子体通道特性的影响及控制，探索了激光从高空向地面传输形成等离子体通道的起始位置和长度的控制方法。.之后，为优化常规高斯光束产生的等离子体通道特性，在通道长度方面，理论研究通过光束相位控制和光束复合等手段产生如高斯-环形光束和自会聚光束等特殊的时空间强度分布光束，以发挥特殊时空间强度分布光束在线性传输中自身结构对成丝能量的补给作用。模拟结果表明，使用特殊时空间强度分布光束能够将等离子体通道长度延长一个数量级。而为更大尺度地控制产生等离子体通道的起始位置，我们提出基于激光线性和非线性强弱耦合控制的方案，通过控制激光平台高度和初始能量，利用传输路径上的空气密度变化，形成分立的激光线性传输与非线性传输占优的耦合传输。理论研究结果表明，预聚焦光束形成等离子体通道的起始位置可控范围达到公里量级以上。.最后，我们在实验上研究了飞秒激光在不同密度大气中传输产生等离子体通道的特性，通过损伤光斑法和侧面荧光像法分别对不同密度大气中等离子体通道的特性进行探测，验证了理论模型和数值模拟中得到的在特殊大气中激光传输的结论；通过不同大气密度中激光等离子体通道引导静态高压放电的实验，验证了通道对高压放电的诱导作用和高空无线传输能量的可能性；分别提出了损伤阈值反推法和无接触感生电动势反推法这两种新型的等离子体通道特性测量方法，并在实验中得到了验证，为高强激光的测量提供新的手段。.项目研究结果不仅促进了激光非线性传输特性的基础科学研究，为高强激光测量领域提供了新的思路和创新方法，也为其在空间能量传输等领域的应用提供数据支撑和重要参考。