高能脉冲CO2激光诱导空气等离子体放电通道研究

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激光诱导空气等离子体放电通道是受到了长久而广泛关注的一个领域。它可以用来引雷,避免重要场所遭雷击破坏;也可以传递高压电击,当作一种激光武器;还可以用作一种传能通道,远距离传输能量。这些在科研、军事和工业等方面的可能应用使它成为世界范围的一个研究热点。  为了研究激光诱导空气放电的特性,本文搭建了高压电容充放电实验平台。实验中使用的电极为针状电极和圆形铜板电极。所采用的激光器为横向激励大气压(Transversly Excited Atmospheric pressure, TEA)CO2激光器,波长10.6μm,脉冲能量46.5±0.3 J,10%峰值全宽约5μs。  聚焦光学系统是获得长等离子通道的关键。我们设计了离轴抛物面聚焦镜、圆锥聚焦镜和圆环线聚焦器,并完成了前两种聚焦装置的制作。利用 Fresnel-Kirchhoff衍射积分方程对聚焦特性进行了分析,结果显示,圆锥聚焦镜及圆环线聚焦器,对功率均匀分布的平面波,能够获得设计长度500 mm的聚焦线,但对高斯光束或者稳定腔产生的高阶模式光束,只能获得一小段的高功率密度聚焦线;对实验中选用的激光束,这两种聚焦装置获得的最大功率密度离空气击穿阈值的下限还有一定差别,因此实验研究主要由离轴抛物面聚焦镜完成。  实验获得的最长等离子体放电通道达到106 mm。通过改变激光能量、放电电压、电极间距等实验条件,获得了放电特性的变化趋势。对不同实验条件下的放电延时及抖动进行分析,发现相同放电电压下,放电延时和抖动会随电极间距的增加而增加,在最长放电等离子体通道106 mm时,放电延时约12μs左右;采用二阶振荡电路模型对放电电流进行拟合得到了激光诱导等离子体放电通道的阻抗,该阻抗会随着电极电压增加略有减小,但受等离子体通道长度的影响并不明显;利用等离子体光谱分析手段,对放电启动前后的激光等离子体和放电等离子体电子密度进行了分析,最高电子密度达到1019/cm3,比飞秒激光等离子体通道高2个数量级,尽管放电启动时等离子体辐射显著增强,但等离子体密度近乎单调下降;最后,我们进行了等离子体通道的电能传递实验,没有单向开关时,能量传输效率为25%,与欠阻尼振荡的理论预期一致。
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