中国引雷实验.doc

激光引雷中激光产生的电离通道 　　根据激光的功率及其波长的不同，被实际用于激光引雷基础试验的主要有两种类型的激光器。一种是红外CO2激光器（波长λ=10.6 mm）为代表的大功率激光器（Koopman至1971，1973；Greig等，1978；Aihara等，1992；Kawasaki等，1992；Shindo等，1993；Miki等，1993；Honda等，1993；Wang等，1994a，b，1994a，b，c）。另一种是以紫外激光器（Nakamura等，1993；Zhao等，1993；Miki等，1996；Rambo等，1999；Mercue等，2000；Fontaine等，1999）为代表的小功率激光器。两种激光器产生的等离子体通道具有相当大的差异，以下分别进行介绍。 　　（1）CO2激光器产生的电离通道 　　若用CO2激光器产生的激光使空气电离，一般需要相当大的功率。据实验研究表明，使干净空气达到强电离所需要的功率为1010~1011? W/cm2。若空气中存在一些尘埃，达到强电离所需要的功率可降到108? W/cm2。现在用于激光引雷研究的CO2激光器单脉冲消耗的能量都超过几十焦耳（Aihara等，1992；Kawasaki等，1992），有的甚至达到上千焦耳（Uchida，1996）。激光造成空气电离的机理主要有两种，一种叫做多光子吸收，另一种叫做雪崩诱导电离。多光子吸收指的是原子直接吸收多数光子的能量而被其电离。雪崩诱导电离指的是自由电子先吸收激光的辐射能量，然后碰撞原子而使其电离。当空气中存在一些尘埃时，这些尘埃将首先吸收大量的激光辐射，尘埃的表面将被汽化、升温从而形成热电离区域。试验是将CO2激光器发生的激光用f=10m的聚光镜聚焦于空气中形成的等离子体通道的照片（Wang等，1995b）。该通道是由一点一点被电离的亮点组成。从导电的角度讲，CO2激光器产生的电离通道是不连接的，形成这样不连续通道的主要原因是：一旦在某处形成被电离的区域，该区域将吸收掉所有试图通过该区域将吸收掉所有试图通过该区域的激光，结果在此区域背后不可能有激光，因而也就不可能被电离。当用CO2激光器进行引雷时，通道不连续是其最大的缺点。 　　据实际测量表明，当上述通道中亮点出现时，亮点处的电子密度可达1018个/cm3，电子能量可达2 eV。亮点随后将膨胀到10mm大小。10μs后亮点处的电子密度将降到1016个 /cm3，电子能量将降到0.9eV。这时气体的温度大约在1500K。100μs后，亮点处的电子密度将降到1012个/cm3。基于这些测量结果大致可以推测亮点发生时，亮点处的电导率可达106? S/m。这相当于良导体的电导率。10μs后电导率将降到104S/m，而100 μs后降到0.3S/m。要知道海水的电导率大约是4S/m。所以可以说激光发生后100μs其等离子体通道仍存在着较大的电导率。其实后面将介绍的室内激光放电实验表明CO2激光等离子体通道产生后即使过了1 ms，仍对放电有引导作用。这间接表明即使过了1ms，仍对放电有引导作用。这间接表明即使过了1ms，这些通道仍存在一定的电导率。 　　（2）紫外激光器等低功率短脉冲激光器产生的等离子体通道 　　为了避开CO2激光器等离子体通道不连续的缺点，近年几个研究小组开始用紫外激光器进行室内激光诱导放电试验（Nakamura等，1993；Zhao等，1993；Miki等，1996，Rambo等，1999）。到目前为止差不多共有6种短脉冲低功率激光器被用在这些实验上。波长较短的有ArF激光器（λ=193 nm），KrF激光器（λ=248 nm），XeCl激光器（λ=308 nm）；波长较长的有Ti：Sapphire激光器（λ=795 nm），Na：YLF激光器（λ=1053 nm），及YAG激光器（λ=1064nm）。这些激光器的脉冲持续时间相当短，一般都在几十毫微秒以内，因此这些激光器也常被称为超短脉冲激光器。这些激光器发生的脉冲能量都较低，一般都在毫焦耳量级。为了用这些激光器产生电离通道，一般也需要用聚光镜进行聚焦。即使是这样，这些激光器产生的等离子体通道也较弱。为了让这样的等离子体通道摄于照片上，一般需要反复暴光数百次。 　　据测量表明：紫外激光器产生的电离通道中最初电子密度大约为1015个/cm3，可是10 μs后能马上降至1012个/cm3。导电性弱且持续时间短是紫外激光器的最大缺点。但比起CO2激光器，紫外激光器有两个较大的优点。一是通道连续性好，二是能以每次灵敏十次的频率反复发出激光。紫外激光是通过光子直接电离原子来形成电离通道，电离后的通道不会吸收通过它的激光，从而可形成连续的电离通道。 　　紫外激光等离子体通道中的电子密度虽然在很短的时间内变得很低，