任 玉，李付錦，董 旭，林景全

(長春理工大學(xué)理學(xué)院，吉林長春130022)

1 引言

強(qiáng)飛秒激光脈沖在空氣中傳輸時能夠產(chǎn)生很長的等離子絲，即等離子體通道。產(chǎn)生的飛秒激光等離子體通道可傳導(dǎo)電能，也可通過構(gòu)成的傳輸線或波導(dǎo)傳導(dǎo)射頻電磁能，因此，強(qiáng)飛秒激光在空氣中的傳輸問題受到國內(nèi)外科研人員的高度重視［1］。隨著飛秒激光技術(shù)的進(jìn)步以及人們對激光等離子體通道研究的不斷深入，飛秒激光等離子體通道傳導(dǎo)電能以及射頻電磁能技術(shù)得到了長足的發(fā)展，其在激光雷達(dá)［2-5］、遙感、激光誘導(dǎo)閃電、大氣污染分析［6-10］、激光誘導(dǎo)擊穿光譜(LIBS)［11-16］等領(lǐng)域的應(yīng)用展示了較好的發(fā)展前景。

本文基于飛秒激光等離子體特性，重點(diǎn)闡述了近年來飛秒激光等離子體通道在傳導(dǎo)電能以及射頻電磁能方面的理論研究和重要應(yīng)用。

2 飛秒激光等離子體通道特性

當(dāng)強(qiáng)飛秒激光脈沖在空氣中傳輸時，空氣的非線性效應(yīng)產(chǎn)生的非線性克爾自聚焦會使激光光束發(fā)生匯聚，造成空氣分子離化而形成等離子體;與此同時，等離子體又對激光光束產(chǎn)生散焦作用，兩種作用的動態(tài)平衡使激光在空氣中形成長達(dá)數(shù)百米［17］、甚至上千米［18］的等離子體通道［19］，如圖1所示。

圖1 強(qiáng)飛秒激光脈沖在空氣中傳輸形成的長等離子體細(xì)通道［1］Fig.1 Long and mini plasma channel induced by intense femtosecond laser in air

飛秒激光等離子體通道由單根等離子體絲(直徑在100～200 μm之間)、雙根等離子體絲或多根等離子體絲構(gòu)成。絲內(nèi)的光強(qiáng)維持在1013～1014W/cm2之間，如此高的光強(qiáng)可使通道內(nèi)的空氣高度電離。通常等離子體通道內(nèi)的電子密度為1014～1018/cm3，單位長度的通道電阻在3.6×105～6.4×107Ω/m之間，較空氣電阻(估計在1013～1015Ω/m之間)降低了至少 6個數(shù)量級［20-22］。因此，等離子體通道具有良好的導(dǎo)電性能。

3 激光等離子體通道傳導(dǎo)電能的研究

無論是飛秒激光等離子體單絲、雙絲或多絲所構(gòu)成的等離子體通道，其在傳導(dǎo)電能的過程中所起的作用都相當(dāng)于導(dǎo)線。早在20世紀(jì)70年代，利用激光光束誘導(dǎo)閃電放電的技術(shù)就已問世［28］。隨著飛秒激光技術(shù)的發(fā)展以及對飛秒激光在大氣中傳輸特性的研究不斷深入，許多國家和地區(qū)的一些研究小組都在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行激光等離子體通道誘導(dǎo)高壓放電實(shí)驗(yàn)來模擬閃電控制［23-27］，這些實(shí)驗(yàn)研究為最終將等離子體細(xì)通道應(yīng)用于激光誘導(dǎo)閃電奠定了理論及實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

在實(shí)驗(yàn)中，利用帶有小孔的正負(fù)直流或交流高壓電極間的自發(fā)放電作為自然放電模型，等離子體通道穿過兩電極小孔構(gòu)成回路，調(diào)整兩極合適高壓使等離子體通道恰好能夠誘導(dǎo)高壓放電。實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。

圖2 激光等離子體通道誘導(dǎo)交流高壓放電Fig.2 High-voltage discharges induced by laser plasma channel

2005年，Tamo?auskas等人基于 Bogatov的熱致?lián)舸╇妷耗Ｐ停?0］，研究發(fā)現(xiàn)了等離子體通道穿過兩電極時，放電擊穿電壓閾值從34 kV/cm降低到10.4 kV/cm［31］，證明了等離子體通道具有大幅度降低放電擊穿電壓閾值的能力。

同年，中國科學(xué)院物理研究所張喆等人［32］利用單脈沖輸出最大能量為640 mJ，脈寬為30 fs，中心波長為800 nm，重復(fù)頻率為10 Hz的極光Ⅱ號激光系統(tǒng)，通過焦距為2 m和4 m的透鏡聚焦在自由空間產(chǎn)生等離子體通道，并對其電導(dǎo)特性進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)等離子體通道的電阻率和接觸電阻的最小值出現(xiàn)在短焦距透鏡的焦點(diǎn)處，因此可以通過提高等離子體通道穩(wěn)定性和增加激光能量等方法減小等離子體通道的電阻。2007年，該研究小組基于等離子體通道的電導(dǎo)特性，將飛秒激光等離子體通道用于誘發(fā)和引導(dǎo)長間距的靜態(tài)高壓放電［33］，實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。實(shí)驗(yàn)證明了等離子體通道能使空氣間隙的電擊穿閾值降低至自然放電擊穿閾值的40%。同時，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計算得到了傳導(dǎo)電能梯級先導(dǎo)的發(fā)展速度約為107cm/s，是隨放電間隙和電壓遞增的參量，這與2000年Bruno La Fontaine等人［34］的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。此次研究為超短脈沖激光等離子體通道引雷技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

圖3 飛秒激光等離子體通道誘發(fā)和引導(dǎo)長間距的靜態(tài)高壓放電的實(shí)驗(yàn)裝置Fig.3 Schematic experimental set-up of high-voltage discharge induced by long laser plasma channel

基于上述研究，中國科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所于2007年利用電學(xué)探測法對空氣中飛秒激光等離子體通道的電導(dǎo)特性進(jìn)行了基礎(chǔ)研究［35］，采取不同焦距的聚焦透鏡，在不同的激光能量和不同的極性外加電壓條件下，對等離子體通道的電阻率進(jìn)行了測量，得到了相同的實(shí)驗(yàn)結(jié)論并完善了基礎(chǔ)理論研究。同年，歐洲的研究小組利用飛秒等離子體通道作為電力傳輸線開展了為法國高速列車(TGV)提供電力的實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示等離子體通道能夠傳導(dǎo)直流或交流電的時間＞1 s(這比激光脈沖時間要寬十幾個數(shù)量級)［36］，這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明利用等離子體通道為虛擬傳輸線進(jìn)行無接觸地傳導(dǎo)電能的技術(shù)是非常具有應(yīng)用前景的。

隨著對飛秒激光等離子體通道的電學(xué)特性研究的不斷發(fā)展，其在引雷技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用受到廣大研究者的關(guān)注。激光引雷技術(shù)既沒有污染又安全靈活，不受地點(diǎn)限制，并且可以連續(xù)工作。加拿大 Comtois D 等人［37］和歐洲 Teramobile［38］研究小組利用飛秒激光等離子體通道在高壓下分別引導(dǎo)了2.8 m和3.2 m長的放電間隙。2008年，Teramobile研究小組對激光等離子體通道引導(dǎo)自然界的云層閃電做了進(jìn)一步的研究［39］。他們在美國海拔為3 209 m高的南伯帝峰頂端，利用重復(fù)頻率為 10 Hz，單脈沖能量為 270 mJ，脈寬為600 fs的激光系統(tǒng)向經(jīng)過的雷暴云發(fā)射激光脈沖，產(chǎn)生的100 m長的等離子體多絲通道成功地在兩云層間誘導(dǎo)局部放電，該項(xiàng)工作大大地推進(jìn)了激光引雷技術(shù)的研究進(jìn)展。

4 等離子體通道傳導(dǎo)射頻電磁能的研究

由于飛秒激光等離子體通道的電子密度可以達(dá)到1016/cm3左右，理論上，等離子體通道相當(dāng)于一根復(fù)雜的柱形傳輸線，可以引導(dǎo)電磁波沿一定方向傳輸。傳導(dǎo)射頻電磁波的等離子體傳輸線主要包括單絲構(gòu)成的通道傳輸線和雙絲構(gòu)成的通道傳輸線。另外，由等離子體多絲構(gòu)成的空芯波導(dǎo)也是一種良好的射頻能傳導(dǎo)方式。

4.1 飛秒激光等離子體單絲通道傳輸線

2009年，D.Clint Friedman等人對飛秒激光等離子體單絲通道傳輸電磁能開展了實(shí)驗(yàn)研究［40］。他們利用飛秒激光等離子體單絲通道對封閉空間(矩形波導(dǎo)和柱形共振腔)中的電磁場進(jìn)行引導(dǎo)，如圖4所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)入x子體通道的電子密度和壽命達(dá)到一定值時，可減弱諧振腔內(nèi)電磁場的強(qiáng)度，說明該等離子體通道將部分射頻電磁波攜帶并傳播出去，由于柱形共振腔結(jié)構(gòu)具有良好的品質(zhì)優(yōu)值，電磁場減弱現(xiàn)象尤為明顯。

圖4 飛秒激光等離子體單絲通道傳輸線耦合射頻電磁波實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.4 Schematic experimental set-up of monofilament channel transmission line induced by femtosecond laser coupling rf electromagnetic energy

4.2 飛秒激光等離子體雙絲通道傳輸線

2009年，俄羅斯N.A.Bogatov等人設(shè)計了“雙絲”的傳輸線結(jié)構(gòu)，并基于傳統(tǒng)的雙導(dǎo)體傳輸線傳導(dǎo)電磁波機(jī)理，開展了傳導(dǎo)射頻電磁能的實(shí)驗(yàn)研究［40］。實(shí)驗(yàn)中的“雙絲”傳輸線由相互平行的兩條等離子體絲構(gòu)成，其中一根使用直徑為0.5 mm的銅絲來替代，另一根由中心波長為800 nm、脈沖能量為3 mJ、脈寬為100 fs的 Ti藍(lán)寶石飛秒激光脈沖來產(chǎn)生，其直徑約為100 μm。射頻源輸出的脈沖信號通過矩形金屬波導(dǎo)耦合到“雙絲”間，再由另一個相似的波導(dǎo)接收并傳輸?shù)绞静ㄆ髦?，從而?shí)現(xiàn)對射頻信號的檢測，如圖5所示。

圖5 “雙絲”波導(dǎo)結(jié)構(gòu)［40］Fig.5 Waveguide structure with double transmission lines

當(dāng)“雙絲”通道長度為2.2 cm時，測得的射頻電磁脈沖信號如圖6所示。由圖6可以看出，“雙絲”傳輸線成功地實(shí)現(xiàn)了傳導(dǎo)射頻電磁信號。當(dāng)改變兩矩形波導(dǎo)的間距時，得到電磁波信號強(qiáng)度隨發(fā)射和接收信號波導(dǎo)距離的增加而減小。在實(shí)際應(yīng)用中，“雙絲”傳輸線可能更適用于強(qiáng)電磁波能量、短距離傳輸。

圖6 示波器探測到的電磁波信號Fig.6 Detected electromagnetic signals by oscillograph

4.3 飛秒激光等離子體多絲構(gòu)成的空芯波導(dǎo)傳導(dǎo)射頻能

早在1991年，哈佛大學(xué)Gordon McKay實(shí)驗(yàn)室的Hao-Ming Shen對空芯等離子體波導(dǎo)傳導(dǎo)電磁波的可能性進(jìn)行了預(yù)測和理論研究［42］，他證明電磁波可以以近似光波的速度在理想的激光等離子體波導(dǎo)中傳輸，其波形不發(fā)生改變。1997年，A.V.Gurevich等人也對該領(lǐng)域進(jìn)行了基礎(chǔ)研究［43］。但是，受當(dāng)時激光技術(shù)水平的制約，長距離激光等離子體波導(dǎo)無法實(shí)現(xiàn)。

2007年，俄羅斯莫斯科州立大學(xué)Roman R.Musin等人利用差分分析法對多絲構(gòu)成的激光等離子體通道及其在傳導(dǎo)電磁能方面的應(yīng)用進(jìn)行了研究［44］。他們將等離子體絲排列成空芯圓柱陣列，其俯視圖如圖7所示。

圖7 飛秒激光等離子體多絲構(gòu)成的雙層空芯波導(dǎo)模型Fig.7 Model of double layered hollow cylindrical plasmas waveguide induced by femtosecond laser pulse

圖8 由六根絲構(gòu)成的等離子體絲陣列波導(dǎo)中，基模的傳輸長度與射頻電磁波波長的變化關(guān)系Fig.8 Dependence of attenuation length of fundamental mode on wavelength of rf electromagnetic wave in six-filament-cladding waveguide

由于激光誘導(dǎo)的等離子體折射率小于非電離空氣的折射率，因此可將等離子體波導(dǎo)等價于光子晶體光纖(PCFs)，使電磁信號在激光等離子體包層中發(fā)生全反射，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)信號傳導(dǎo)。而該波導(dǎo)的等離子體包層對電磁波信號有一定的吸收作用，導(dǎo)致信號的衰減。當(dāng)?shù)入x子體通道和波導(dǎo)的直徑分別設(shè)為0.8 cm、1.2 cm時，對比有等離子體包層吸收損耗和無吸收損耗兩種情況下，射頻電磁波的傳輸長度(電磁波振幅降至原值1/e的傳輸距離)隨其波長的變化關(guān)系如圖8所示，由此可知等離子體包層對電磁脈沖信號的衰減達(dá)到幾個數(shù)量級，是影響傳輸距離的主要因素。

此外，影響電磁波傳輸性能的物理因素還有很多。2010年，A.E.Dormidonov等人基于上述設(shè)計思想，理論上構(gòu)建了如圖9所示的柱形等離子體波導(dǎo)模型［45］，圖中Lwg、Rwg、hwg分別為波導(dǎo)長度、半徑和波導(dǎo)壁厚。

圖9 等離子體柱形波導(dǎo)空間結(jié)構(gòu)［45］Fig.9 Structure of cylindrical plasma waveguide

波導(dǎo)的長度Lwg取決于等離子體通道的長度Lpl，可達(dá)數(shù)米。理論上，可將飛秒激光光束分裂成多個高斯光束，如圖10所示，若環(huán)上的每個高斯光束功率都超過激光自聚焦的閾值功率時，就可以在空氣中誘導(dǎo)多條等離子體絲形成柱形等離子體波導(dǎo)，如圖11所示。

圖10 環(huán)形高斯光束的分布模型Fig.10 Initial intensity distribution of Gaussian beam with regular initial modulation

圖11 環(huán)柱形等離子體波導(dǎo)分布模型Fig.11 Schematic picture of cylindrical bunch of plasma channels

電磁脈沖信號能夠在等離子體波導(dǎo)中傳播需要滿足下列條件:

式中:ωpl和λpl分別為等離子體頻率和波長，λMW為電磁波波長，即等離子體波長小于電磁波波長，且等離子體波導(dǎo)壁厚要大于電磁波在等離子體波導(dǎo)傳播時的趨膚深度，其表達(dá)式如下:

式中:σ為等離子體電導(dǎo)率，ωMW為電磁波頻率?？梢钥闯觯档碗姶挪ǖ念l率可減小等離子體波導(dǎo)的趨膚深度，進(jìn)而降低等離子體對電磁信號的衰減，有助于電磁波在等離子體波導(dǎo)中的長距離傳輸。以傳導(dǎo)TE11波為例，波導(dǎo)縱向波矢h包含決定相速的實(shí)部h'和表征波導(dǎo)中損耗的虛部h″:

當(dāng)?shù)入x子體密度為1016cm-3，取不同波導(dǎo)半徑時，電磁波傳輸長度1/h″隨其波長的變化關(guān)系如圖12所示。

圖12 不同波導(dǎo)半徑下電磁波傳輸長度1/h″隨其波長的變化關(guān)系Fig.12 Extinction length 1/h″versus wavelength of microwave radiation for different waveguide radii

從圖中可以看出，等離子體波導(dǎo)半徑越大，電磁波的損耗越小，傳輸距離越遠(yuǎn)，這與Roman R.Musin等人的研究結(jié)果相符。且當(dāng)電磁波波長約等于波導(dǎo)半徑時，電磁波的傳輸長度最長。M.N.Shneider等人也對多絲等離子體通道傳導(dǎo)射頻能進(jìn)行了理論研究［46］，這為等離子體波導(dǎo)的空間結(jié)構(gòu)設(shè)計奠定了理論基礎(chǔ)。

到目前為止，由于受到飛秒激光系統(tǒng)輸出脈沖能量的限制，對于實(shí)現(xiàn)空芯圓柱形波導(dǎo)模型的實(shí)驗(yàn)報道較少，只有加拿大 M.Chateauneuf等人［47］在2008年開展過相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究的報道。他們利用Ti藍(lán)寶石飛秒激光系統(tǒng)輸出脈寬為27 fs、脈沖能量為1.5 J的激光，由變形鏡(Deformable Mirror，DM)在空間上調(diào)制激光形狀，使其形成中心對稱的光環(huán)，實(shí)現(xiàn)了直徑為45 mm，由1 030根通道構(gòu)成的空芯柱形等離子體波導(dǎo)，如圖13所示。傳輸30 cm后的橫截面圖像約分裂成1 030根通道。

圖13 DM透鏡聚焦形成的等離子體多通道波導(dǎo)結(jié)構(gòu)［47］Fig.13 Plasma multi-channel waveguide formed by DM focusing

該研究組通過實(shí)驗(yàn)檢測了波導(dǎo)傳導(dǎo)電磁波的能力，實(shí)驗(yàn)裝置如圖14所示。在波導(dǎo)的一端通過射頻源將信號耦合到等離子體波導(dǎo)中，在等離子體波導(dǎo)的一端采用金屬喇叭天線接收射頻信號，信號源到喇叭的距離為16 cm。該金屬喇叭的直徑要略小于等離子體環(huán)的直徑，以避免等離子體與金屬喇叭發(fā)生接觸而相互作用，產(chǎn)生信號干擾。

圖14 空芯柱形等離子體波導(dǎo)傳導(dǎo)射頻電磁能的實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.14 Schematic experimental setup of rf electromagnetic energy guided by hollow cylindrical plasma waveguide

天線喇叭所接收到的電磁信號由示波器進(jìn)行檢測，得到如圖15所示的波形圖，虛線代表沒有等離子體波導(dǎo)時的信號傳輸情況，實(shí)線是示波器通過等離子體波導(dǎo)所探測到的信號?？梢钥闯鲇傻入x子體波導(dǎo)傳輸射頻信號所得到的強(qiáng)度是自由空間信號傳輸強(qiáng)度的6倍，證明了多絲等離子體波導(dǎo)具有良好的電磁波傳導(dǎo)能力。從現(xiàn)有的研究結(jié)果來看，空芯柱形多等離子體絲構(gòu)成的波導(dǎo)比雙絲傳輸線的射頻傳輸效果要好，這種波導(dǎo)結(jié)構(gòu)有望在瞬時、虛擬傳輸線定向傳導(dǎo)高能量密度電磁能方面發(fā)揮巨大的作用。

5 結(jié)束語

圖15 電磁波信號探測信號Fig.15 Detected electromagnetic signal

飛秒激光在空氣中誘導(dǎo)等離子體通道是一個極具研究價值的新科學(xué)現(xiàn)象，具有極大的潛在應(yīng)用價值。因飛秒激光等離子體絲可以靈活、隨時地布線和收起，在非接觸傳遞電能和電磁能方面具有潛在的應(yīng)用前景。目前對該現(xiàn)象的一些物理性質(zhì)已開展了大量的基礎(chǔ)研究工作，這為激光等離子體通道早日應(yīng)用于實(shí)際奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

現(xiàn)有的理論和實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果充分說明了飛秒激光等離子體通道能夠有效地傳導(dǎo)電能和射頻電磁能。就其傳導(dǎo)射頻電磁能方面而言，其傳導(dǎo)能力與電磁波模式、電磁波頻率以及等離子體波導(dǎo)模型等物理參量間的關(guān)系有待進(jìn)一步廣泛、深入的研究。

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