飛秒激光等離子體通道傳導能量特性的研究進展

任 玉，李付錦，董 旭，林景全

(長春理工大學理學院，吉林長春130022)

1 引言

強飛秒激光脈沖在空氣中傳輸時能夠產生很長的等離子絲，即等離子體通道。產生的飛秒激光等離子體通道可傳導電能，也可通過構成的傳輸線或波導傳導射頻電磁能，因此，強飛秒激光在空氣中的傳輸問題受到國內外科研人員的高度重視［1］。隨著飛秒激光技術的進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電能以及射頻電磁能技術得到了長足的發展，其在激光雷達［2-5］、遙感、激光誘導閃電、大氣污染分析［6-10］、激光誘導擊穿光譜(LIBS)［11-16］等領域的應用展示了較好的發展前景。

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

2 飛秒激光等離子體通道特性

當強飛秒激光脈沖在空氣中傳輸時，空氣的非線性效應產生的非線性克爾自聚焦會使激光光束發生匯聚，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生散焦作用，兩種作用的動態平衡使激光在空氣中形成長達數百米［17］、甚至上千米［18］的等離子體通道［19］，如圖1所示。

圖1 強飛秒激光脈沖在空氣中傳輸形成的長等離子體細通道［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成。絲內的光強維持在1013～1014W/cm2之間，如此高的光強可使通道內的空氣高度電離。通常等離子體通道內的電子密度為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個數量級［20-22］。因此，等離子體通道具有良好的導電性能。

3 激光等離子體通道傳導電能的研究

無論是飛秒激光等離子體單絲、雙絲或多絲所構成的等離子體通道，其在傳導電能的過程中所起的作用都相當于導線。早在20世紀70年代，利用激光光束誘導閃電放電的技術就已問世［28］。隨著飛秒激光技術的發展以及對飛秒激光在大氣中傳輸特性的研究不斷深入，許多國家和地區的一些研究小組都在實驗室內進行激光等離子體通道誘導高壓放電實驗來模擬閃電控制［23-27］，這些實驗研究為最終將等離子體細通道應用于激光誘導閃電奠定了理論及實驗基礎。

在實驗中，利用帶有小孔的正負直流或交流高壓電極間的自發放電作為自然放電模型，等離子體通道穿過兩電極小孔構成回路，調整兩極合適高壓使等離子體通道恰好能夠誘導高壓放電。實驗裝置如圖2所示。

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

2005年，Tamo?auskas等人基于 Bogatov的熱致擊穿電壓模型［30］，研究發現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，重復頻率為10 Hz的極光Ⅱ號激光系統，通過焦距為2 m和4 m的透鏡聚焦在自由空間產生等離子體通道，并對其電導特性進行了研究。實驗發現等離子體通道的電阻率和接觸電阻的最小值出現在短焦距透鏡的焦點處，因此可以通過提高等離子體通道穩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特性，將飛秒激光等離子體通道用于誘發和引導長間距的靜態高壓放電［33］，實驗裝置如圖3所示。實驗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，通過實驗數據計算得到了傳導電能梯級先導的發展速度約為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］的實驗結果相符。此次研究為超短脈沖激光等離子體通道引雷技術的發展奠定了基礎。

圖3 飛秒激光等離子體通道誘發和引導長間距的靜態高壓放電的實驗裝置Fig.3 Schematic experimental set-up of high-voltage discharge induced by long laser plasma channel

基于上述研究，中國科學院武漢物理與數學研究所于2007年利用電學探測法對空氣中飛秒激光等離子體通道的電導特性進行了基礎研究［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行了測量，得到了相同的實驗結論并完善了基礎理論研究。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)提供電力的實驗研究，實驗數據顯示等離子體通道能夠傳導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量級)［36］，這一實驗結果表明利用等離子體通道為虛擬傳輸線進行無接觸地傳導電能的技術是非常具有應用前景的。

隨著對飛秒激光等離子體通道的電學特性研究的不斷發展，其在引雷技術領域的應用受到廣大研究者的關注。激光引雷技術既沒有污染又安全靈活，不受地點限制，并且可以連續工作。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自然界的云層閃電做了進一步的研究［39］。他們在美國海拔為3 209 m高的南伯帝峰頂端，利用重復頻率為 10 Hz，單脈沖能量為 270 mJ，脈寬為600 fs的激光系統向經過的雷暴云發射激光脈沖，產生的100 m長的等離子體多絲通道成功地在兩云層間誘導局部放電，該項工作大大地推進了激光引雷技術的研究進展。

4 等離子體通道傳導射頻電磁能的研究

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

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驗研究［40］。他們利用飛秒激光等離子體單絲通道對封閉空間(矩形波導和柱形共振腔)中的電磁場進行引導，如圖4所示。

實驗結果發現，當等離子體通道的電子密度和壽命達到一定值時，可減弱諧振腔內電磁場的強度，說明該等離子體通道將部分射頻電磁波攜帶并傳播出去，由于柱形共振腔結構具有良好的品質優值，電磁場減弱現象尤為明顯。

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驗裝置圖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等人設計了“雙絲”的傳輸線結構，并基于傳統的雙導體傳輸線傳導電磁波機理，開展了傳導射頻電磁能的實驗研究［40］。實驗中的“雙絲”傳輸線由相互平行的兩條等離子體絲構成，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藍寶石飛秒激光脈沖來產生，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耦合到“雙絲”間，再由另一個相似的波導接收并傳輸到示波器中，從而實現對射頻信號的檢測，如圖5所示。

圖5 “雙絲”波導結構［40］Fig.5 Waveguide structure with double transmission lines

當“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”傳輸線成功地實現了傳導射頻電磁信號。當改變兩矩形波導的間距時，得到電磁波信號強度隨發射和接收信號波導距離的增加而減小。在實際應用中，“雙絲”傳輸線可能更適用于強電磁波能量、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成的空芯波導傳導射頻能

早在1991年，哈佛大學Gordon McKay實驗室的Hao-Ming Shen對空芯等離子體波導傳導電磁波的可能性進行了預測和理論研究［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中傳輸，其波形不發生改變。1997年，A.V.Gurevich等人也對該領域進行了基礎研究［43］。但是，受當時激光技術水平的制約，長距離激光等離子體波導無法實現。

2007年，俄羅斯莫斯科州立大學Roman R.Musin等人利用差分分析法對多絲構成的激光等離子體通道及其在傳導電磁能方面的應用進行了研究［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成的雙層空芯波導模型Fig.7 Model of double layered hollow cylindrical plasmas waveguide induced by femtosecond laser pulse

圖8 由六根絲構成的等離子體絲陣列波導中，基模的傳輸長度與射頻電磁波波長的變化關系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生全反射，進而實現信號傳導。而該波導的等離子體包層對電磁波信號有一定的吸收作用，導致信號的衰減。當等離子體通道和波導的直徑分別設為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到幾個數量級，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等人基于上述設計思想，理論上構建了如圖9所示的柱形等離子體波導模型［45］，圖中Lwg、Rwg、hwg分別為波導長度、半徑和波導壁厚。

圖9 等離子體柱形波導空間結構［45］Fig.9 Structure of cylindrical plasma waveguide

波導的長度Lwg取決于等離子體通道的長度Lpl，可達數米。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多條等離子體絲形成柱形等離子體波導，如圖11所示。

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

圖11 環柱形等離子體波導分布模型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，且等離子體波導壁厚要大于電磁波在等離子體波導傳播時的趨膚深度，其表達式如下:

式中:σ為等離子體電導率，ωMW為電磁波頻率。可以看出，降低電磁波的頻率可減小等離子體波導的趨膚深度，進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中的長距離傳輸。以傳導TE11波為例，波導縱向波矢h包含決定相速的實部h'和表征波導中損耗的虛部h″:

當等離子體密度為1016cm-3，取不同波導半徑時，電磁波傳輸長度1/h″隨其波長的變化關系如圖12所示。

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

從圖中可以看出，等離子體波導半徑越大，電磁波的損耗越小，傳輸距離越遠，這與Roman R.Musin等人的研究結果相符。且當電磁波波長約等于波導半徑時，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射頻能進行了理論研究［46］，這為等離子體波導的空間結構設計奠定了理論基礎。

到目前為止，由于受到飛秒激光系統輸出脈沖能量的限制，對于實現空芯圓柱形波導模型的實驗報道較少，只有加拿大 M.Chateauneuf等人［47］在2008年開展過相關實驗研究的報道。他們利用Ti藍寶石飛秒激光系統輸出脈寬為27 fs、脈沖能量為1.5 J的激光，由變形鏡(Deformable Mirror，DM)在空間上調制激光形狀，使其形成中心對稱的光環，實現了直徑為45 mm，由1 030根通道構成的空芯柱形等離子體波導，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結構［47］Fig.13 Plasma multi-channel waveguide formed by DM focusing

該研究組通過實驗檢測了波導傳導電磁波的能力，實驗裝置如圖14所示。在波導的一端通過射頻源將信號耦合到等離子體波導中，在等離子體波導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的直徑，以避免等離子體與金屬喇叭發生接觸而相互作用，產生信號干擾。

圖14 空芯柱形等離子體波導傳導射頻電磁能的實驗裝置圖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時的信號傳輸情況，實線是示波器通過等離子體波導所探測到的信號。可以看出由等離子體波導傳輸射頻信號所得到的強度是自由空間信號傳輸強度的6倍，證明了多絲等離子體波導具有良好的電磁波傳導能力。從現有的研究結果來看，空芯柱形多等離子體絲構成的波導比雙絲傳輸線的射頻傳輸效果要好，這種波導結構有望在瞬時、虛擬傳輸線定向傳導高能量密度電磁能方面發揮巨大的作用。

5 結束語

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等離子體通道是一個極具研究價值的新科學現象，具有極大的潛在應用價值。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用前景。目前對該現象的一些物理性質已開展了大量的基礎研究工作，這為激光等離子體通道早日應用于實際奠定了堅實的理論基礎。

現有的理論和實驗研究結果充分說明了飛秒激光等離子體通道能夠有效地傳導電能和射頻電磁能。就其傳導射頻電磁能方面而言，其傳導能力與電磁波模式、電磁波頻率以及等離子體波導模型等物理參量間的關系有待進一步廣泛、深入的研究。

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