飞秒激光等离子体丝结构优化用于引导高压放电的研究

When intense femtosecond laser transmission in the air, the plasma filament is formed due to the dynamic equilibrium of nonlinear self-focusing effect and plasma defocusing effect.This channel, equivalent to a "virtual wires", has a unique prospect in the plasma antenna, wireless transmission of electrical energy, particularly laser triggered lightning technology.Generally, when the laser energy is increased, the length and the number of filaments increase. However, such additional filaments consume more pulse energy, which is not conducive to increase the length of the filaments.The proposal intends to study the optimization of the filament structure and filament induced high-voltage discharge, the specific contents are: (I) To simulate the impact of femtosecond laser initial pulse parameters, such as pulse width, time linetype, a wavefront shape and transverse intensity distribution, to filamentation; (II) To achieve the single or less filaments and long-distance plasma channel experimentally, based on the simulation results, through these means of a deformable mirror, chirp control and programmable spatial light modulator; (III) To study the filament induced high voltage discharge before and after optimization of the filament structure. Project research results will provide a technology accumulation for wireless transfer of electric energy, especially laser triggering lighting applications.

强飞秒激光在空气中传输时,由于非线性自聚焦效应和等离子体散焦效应的动态平衡形成了长距离等离子体丝。这种通道相当于"虚拟导线",在等离子天线、无线传能，尤其激光引雷技术方面具有独特的应用前景。通常情况下，当增大脉冲激光能量时，等离子体丝的长度和细丝的个数均随之增加，然而细丝增多会消耗掉更多的脉冲能量，不利于细丝的纵向延伸。本提案拟对等离子体丝结构进行优化，并用于诱导高压放电的研究，具体内容有：（I）对飞秒激光等离子体丝的结构优化开展数值模拟研究，通过调节初始脉冲参数，如脉冲时间宽度、脉冲时间线型、光束波前形状、横向光强分布线型等，形成单丝或者少丝结构的等离子体丝；（II）根据数值模拟获得的初始光束参数，利用可变形镜、啁啾量调节以及可编程空间调制器等技术等，实验获得单丝或者少丝结构的等离子体丝；（III）对比研究丝结构优化前后的细丝诱导高压放电。研究成果将对无线传能尤其激光引雷应用提供技术。

强飞秒激光在空气中传输时所形成的长距离等离子体丝可看作“虚拟导线”，在等离子天线、无线传能，以及激光引雷等领域具有独特的应用前景。等离子体细丝一般具有直径约100μm、寿命几ns的特点，尤其是细丝长度可达数百米，电阻率远低于空气电阻率，十分有利于其诱导高压放电实验以及闪电控制应用的研究。. 项目围绕等离子体丝的模式、长度和寿命，以及诱导高压放电等方面开展了优化控制实验研究。. 在细丝优化实验和数值模拟方面：（1）通过在光束聚焦区插入楔形镜的技术并调节相应的参数（楔形镜楔角、倾角和旋转角等）能够实现成丝特点（单丝-双丝转换）、成丝起点和长度等参数的有效调控。（2）实验通过引入锥透镜将高斯光束转换为近似贝塞尔光束的实验结果显示，当锥透镜的锥角较小如1°、2°时，所产生的等离子体细丝较长，但沿轴向的均匀性较差，并存在较明显的峰值；当锥角较大如5°时，锥透镜所产生的等离子体细丝虽短但均匀性较好。（3）通过加入涡旋波片VR1调控后，等离子体细丝推迟产生，且细丝明显长于只有透镜聚焦的情况，并且还可旋转VR1角度实现对细丝的调控。. 在细丝寿命实验方面：通过外加强磁场作用于飞秒激光等离子体细丝后，对细丝辐射光谱谱线强度进行双指数的拟合结果显示，由谱线表征的等离子体的寿命较无磁场作用时最多增加了30%左右。. 在细丝诱导高压放电实验方面：通过调节飞秒激光脉冲的啁啾量所开展的细丝诱导高压放电的空间分辨实验研究结果表明，零啁啾条件下细丝诱导高压放电能力明显优于啁啾和负啁啾的情况，成丝起点有所提前、有效诱导高压放电的区域变宽。. 研究成果能够对无线传能以及激光引雷等应用领域提供一定的技术参考。