飞秒激光等离子体通道传导能量特性的研究进展

任 玉，李付锦，董 旭，林景全

(长春理工大学理学院，吉林长春130022)

1 引言

强飞秒激光脉冲在空气中传输时能够产生很长的等离子丝，即等离子体通道。产生的飞秒激光等离子体通道可传导电能，也可通过构成的传输线或波导传导射频电磁能，因此，强飞秒激光在空气中的传输问题受到国内外科研人员的高度重视［1］。随着飞秒激光技术的进步以及人们对激光等离子体通道研究的不断深入，飞秒激光等离子体通道传导电能以及射频电磁能技术得到了长足的发展，其在激光雷达［2-5］、遥感、激光诱导闪电、大气污染分析［6-10］、激光诱导击穿光谱(LIBS)［11-16］等领域的应用展示了较好的发展前景。

本文基于飞秒激光等离子体特性，重点阐述了近年来飞秒激光等离子体通道在传导电能以及射频电磁能方面的理论研究和重要应用。

2 飞秒激光等离子体通道特性

当强飞秒激光脉冲在空气中传输时，空气的非线性效应产生的非线性克尔自聚焦会使激光光束发生汇聚，造成空气分子离化而形成等离子体;与此同时，等离子体又对激光光束产生散焦作用，两种作用的动态平衡使激光在空气中形成长达数百米［17］、甚至上千米［18］的等离子体通道［19］，如图1所示。

图1 强飞秒激光脉冲在空气中传输形成的长等离子体细通道［1］Fig.1 Long and mini plasma channel induced by intense femtosecond laser in air

飞秒激光等离子体通道由单根等离子体丝(直径在100～200 μm之间)、双根等离子体丝或多根等离子体丝构成。丝内的光强维持在1013～1014W/cm2之间，如此高的光强可使通道内的空气高度电离。通常等离子体通道内的电子密度为1014～1018/cm3，单位长度的通道电阻在3.6×105～6.4×107Ω/m之间，较空气电阻(估计在1013～1015Ω/m之间)降低了至少 6个数量级［20-22］。因此，等离子体通道具有良好的导电性能。

3 激光等离子体通道传导电能的研究

无论是飞秒激光等离子体单丝、双丝或多丝所构成的等离子体通道，其在传导电能的过程中所起的作用都相当于导线。早在20世纪70年代，利用激光光束诱导闪电放电的技术就已问世［28］。随着飞秒激光技术的发展以及对飞秒激光在大气中传输特性的研究不断深入，许多国家和地区的一些研究小组都在实验室内进行激光等离子体通道诱导高压放电实验来模拟闪电控制［23-27］，这些实验研究为最终将等离子体细通道应用于激光诱导闪电奠定了理论及实验基础。

在实验中，利用带有小孔的正负直流或交流高压电极间的自发放电作为自然放电模型，等离子体通道穿过两电极小孔构成回路，调整两极合适高压使等离子体通道恰好能够诱导高压放电。实验装置如图2所示。

图2 激光等离子体通道诱导交流高压放电Fig.2 High-voltage discharges induced by laser plasma channel

2005年，Tamošauskas等人基于 Bogatov的热致击穿电压模型［30］，研究发现了等离子体通道穿过两电极时，放电击穿电压阈值从34 kV/cm降低到10.4 kV/cm［31］，证明了等离子体通道具有大幅度降低放电击穿电压阈值的能力。

同年，中国科学院物理研究所张喆等人［32］利用单脉冲输出最大能量为640 mJ，脉宽为30 fs，中心波长为800 nm，重复频率为10 Hz的极光Ⅱ号激光系统，通过焦距为2 m和4 m的透镜聚焦在自由空间产生等离子体通道，并对其电导特性进行了研究。实验发现等离子体通道的电阻率和接触电阻的最小值出现在短焦距透镜的焦点处，因此可以通过提高等离子体通道稳定性和增加激光能量等方法减小等离子体通道的电阻。2007年，该研究小组基于等离子体通道的电导特性，将飞秒激光等离子体通道用于诱发和引导长间距的静态高压放电［33］，实验装置如图3所示。实验证明了等离子体通道能使空气间隙的电击穿阈值降低至自然放电击穿阈值的40%。同时，通过实验数据计算得到了传导电能梯级先导的发展速度约为107cm/s，是随放电间隙和电压递增的参量，这与2000年Bruno La Fontaine等人［34］的实验结果相符。此次研究为超短脉冲激光等离子体通道引雷技术的发展奠定了基础。

图3 飞秒激光等离子体通道诱发和引导长间距的静态高压放电的实验装置Fig.3 Schematic experimental set-up of high-voltage discharge induced by long laser plasma channel

基于上述研究，中国科学院武汉物理与数学研究所于2007年利用电学探测法对空气中飞秒激光等离子体通道的电导特性进行了基础研究［35］，采取不同焦距的聚焦透镜，在不同的激光能量和不同的极性外加电压条件下，对等离子体通道的电阻率进行了测量，得到了相同的实验结论并完善了基础理论研究。同年，欧洲的研究小组利用飞秒等离子体通道作为电力传输线开展了为法国高速列车(TGV)提供电力的实验研究，实验数据显示等离子体通道能够传导直流或交流电的时间＞1 s(这比激光脉冲时间要宽十几个数量级)［36］，这一实验结果表明利用等离子体通道为虚拟传输线进行无接触地传导电能的技术是非常具有应用前景的。

随着对飞秒激光等离子体通道的电学特性研究的不断发展，其在引雷技术领域的应用受到广大研究者的关注。激光引雷技术既没有污染又安全灵活，不受地点限制，并且可以连续工作。加拿大 Comtois D 等人［37］和欧洲 Teramobile［38］研究小组利用飞秒激光等离子体通道在高压下分别引导了2.8 m和3.2 m长的放电间隙。2008年，Teramobile研究小组对激光等离子体通道引导自然界的云层闪电做了进一步的研究［39］。他们在美国海拔为3 209 m高的南伯帝峰顶端，利用重复频率为 10 Hz，单脉冲能量为 270 mJ，脉宽为600 fs的激光系统向经过的雷暴云发射激光脉冲，产生的100 m长的等离子体多丝通道成功地在两云层间诱导局部放电，该项工作大大地推进了激光引雷技术的研究进展。

4 等离子体通道传导射频电磁能的研究

由于飞秒激光等离子体通道的电子密度可以达到1016/cm3左右，理论上，等离子体通道相当于一根复杂的柱形传输线，可以引导电磁波沿一定方向传输。传导射频电磁波的等离子体传输线主要包括单丝构成的通道传输线和双丝构成的通道传输线。另外，由等离子体多丝构成的空芯波导也是一种良好的射频能传导方式。

4.1 飞秒激光等离子体单丝通道传输线

2009年，D.Clint Friedman等人对飞秒激光等离子体单丝通道传输电磁能开展了实验研究［40］。他们利用飞秒激光等离子体单丝通道对封闭空间(矩形波导和柱形共振腔)中的电磁场进行引导，如图4所示。

实验结果发现，当等离子体通道的电子密度和寿命达到一定值时，可减弱谐振腔内电磁场的强度，说明该等离子体通道将部分射频电磁波携带并传播出去，由于柱形共振腔结构具有良好的品质优值，电磁场减弱现象尤为明显。

图4 飞秒激光等离子体单丝通道传输线耦合射频电磁波实验装置图Fig.4 Schematic experimental set-up of monofilament channel transmission line induced by femtosecond laser coupling rf electromagnetic energy

4.2 飞秒激光等离子体双丝通道传输线

2009年，俄罗斯N.A.Bogatov等人设计了“双丝”的传输线结构，并基于传统的双导体传输线传导电磁波机理，开展了传导射频电磁能的实验研究［40］。实验中的“双丝”传输线由相互平行的两条等离子体丝构成，其中一根使用直径为0.5 mm的铜丝来替代，另一根由中心波长为800 nm、脉冲能量为3 mJ、脉宽为100 fs的 Ti蓝宝石飞秒激光脉冲来产生，其直径约为100 μm。射频源输出的脉冲信号通过矩形金属波导耦合到“双丝”间，再由另一个相似的波导接收并传输到示波器中，从而实现对射频信号的检测，如图5所示。

图5 “双丝”波导结构［40］Fig.5 Waveguide structure with double transmission lines

当“双丝”通道长度为2.2 cm时，测得的射频电磁脉冲信号如图6所示。由图6可以看出，“双丝”传输线成功地实现了传导射频电磁信号。当改变两矩形波导的间距时，得到电磁波信号强度随发射和接收信号波导距离的增加而减小。在实际应用中，“双丝”传输线可能更适用于强电磁波能量、短距离传输。

图6 示波器探测到的电磁波信号Fig.6 Detected electromagnetic signals by oscillograph

4.3 飞秒激光等离子体多丝构成的空芯波导传导射频能

早在1991年，哈佛大学Gordon McKay实验室的Hao-Ming Shen对空芯等离子体波导传导电磁波的可能性进行了预测和理论研究［42］，他证明电磁波可以以近似光波的速度在理想的激光等离子体波导中传输，其波形不发生改变。1997年，A.V.Gurevich等人也对该领域进行了基础研究［43］。但是，受当时激光技术水平的制约，长距离激光等离子体波导无法实现。

2007年，俄罗斯莫斯科州立大学Roman R.Musin等人利用差分分析法对多丝构成的激光等离子体通道及其在传导电磁能方面的应用进行了研究［44］。他们将等离子体丝排列成空芯圆柱阵列，其俯视图如图7所示。

图7 飞秒激光等离子体多丝构成的双层空芯波导模型Fig.7 Model of double layered hollow cylindrical plasmas waveguide induced by femtosecond laser pulse

图8 由六根丝构成的等离子体丝阵列波导中，基模的传输长度与射频电磁波波长的变化关系Fig.8 Dependence of attenuation length of fundamental mode on wavelength of rf electromagnetic wave in six-filament-cladding waveguide

由于激光诱导的等离子体折射率小于非电离空气的折射率，因此可将等离子体波导等价于光子晶体光纤(PCFs)，使电磁信号在激光等离子体包层中发生全反射，进而实现信号传导。而该波导的等离子体包层对电磁波信号有一定的吸收作用，导致信号的衰减。当等离子体通道和波导的直径分别设为0.8 cm、1.2 cm时，对比有等离子体包层吸收损耗和无吸收损耗两种情况下，射频电磁波的传输长度(电磁波振幅降至原值1/e的传输距离)随其波长的变化关系如图8所示，由此可知等离子体包层对电磁脉冲信号的衰减达到几个数量级，是影响传输距离的主要因素。

此外，影响电磁波传输性能的物理因素还有很多。2010年，A.E.Dormidonov等人基于上述设计思想，理论上构建了如图9所示的柱形等离子体波导模型［45］，图中Lwg、Rwg、hwg分别为波导长度、半径和波导壁厚。

图9 等离子体柱形波导空间结构［45］Fig.9 Structure of cylindrical plasma waveguide

波导的长度Lwg取决于等离子体通道的长度Lpl，可达数米。理论上，可将飞秒激光光束分裂成多个高斯光束，如图10所示，若环上的每个高斯光束功率都超过激光自聚焦的阈值功率时，就可以在空气中诱导多条等离子体丝形成柱形等离子体波导，如图11所示。

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

图11 环柱形等离子体波导分布模型Fig.11 Schematic picture of cylindrical bunch of plasma channels

电磁脉冲信号能够在等离子体波导中传播需要满足下列条件:

式中:ωpl和λpl分别为等离子体频率和波长，λMW为电磁波波长，即等离子体波长小于电磁波波长，且等离子体波导壁厚要大于电磁波在等离子体波导传播时的趋肤深度，其表达式如下:

式中:σ为等离子体电导率，ωMW为电磁波频率。可以看出，降低电磁波的频率可减小等离子体波导的趋肤深度，进而降低等离子体对电磁信号的衰减，有助于电磁波在等离子体波导中的长距离传输。以传导TE11波为例，波导纵向波矢h包含决定相速的实部h'和表征波导中损耗的虚部h″:

当等离子体密度为1016cm-3，取不同波导半径时，电磁波传输长度1/h″随其波长的变化关系如图12所示。

图12 不同波导半径下电磁波传输长度1/h″随其波长的变化关系Fig.12 Extinction length 1/h″versus wavelength of microwave radiation for different waveguide radii

从图中可以看出，等离子体波导半径越大，电磁波的损耗越小，传输距离越远，这与Roman R.Musin等人的研究结果相符。且当电磁波波长约等于波导半径时，电磁波的传输长度最长。M.N.Shneider等人也对多丝等离子体通道传导射频能进行了理论研究［46］，这为等离子体波导的空间结构设计奠定了理论基础。

到目前为止，由于受到飞秒激光系统输出脉冲能量的限制，对于实现空芯圆柱形波导模型的实验报道较少，只有加拿大 M.Chateauneuf等人［47］在2008年开展过相关实验研究的报道。他们利用Ti蓝宝石飞秒激光系统输出脉宽为27 fs、脉冲能量为1.5 J的激光，由变形镜(Deformable Mirror，DM)在空间上调制激光形状，使其形成中心对称的光环，实现了直径为45 mm，由1 030根通道构成的空芯柱形等离子体波导，如图13所示。传输30 cm后的横截面图像约分裂成1 030根通道。

图13 DM透镜聚焦形成的等离子体多通道波导结构［47］Fig.13 Plasma multi-channel waveguide formed by DM focusing

该研究组通过实验检测了波导传导电磁波的能力，实验装置如图14所示。在波导的一端通过射频源将信号耦合到等离子体波导中，在等离子体波导的一端采用金属喇叭天线接收射频信号，信号源到喇叭的距离为16 cm。该金属喇叭的直径要略小于等离子体环的直径，以避免等离子体与金属喇叭发生接触而相互作用，产生信号干扰。

图14 空芯柱形等离子体波导传导射频电磁能的实验装置图Fig.14 Schematic experimental setup of rf electromagnetic energy guided by hollow cylindrical plasma waveguide

天线喇叭所接收到的电磁信号由示波器进行检测，得到如图15所示的波形图，虚线代表没有等离子体波导时的信号传输情况，实线是示波器通过等离子体波导所探测到的信号。可以看出由等离子体波导传输射频信号所得到的强度是自由空间信号传输强度的6倍，证明了多丝等离子体波导具有良好的电磁波传导能力。从现有的研究结果来看，空芯柱形多等离子体丝构成的波导比双丝传输线的射频传输效果要好，这种波导结构有望在瞬时、虚拟传输线定向传导高能量密度电磁能方面发挥巨大的作用。

5 结束语

图15 电磁波信号探测信号Fig.15 Detected electromagnetic signal

飞秒激光在空气中诱导等离子体通道是一个极具研究价值的新科学现象，具有极大的潜在应用价值。因飞秒激光等离子体丝可以灵活、随时地布线和收起，在非接触传递电能和电磁能方面具有潜在的应用前景。目前对该现象的一些物理性质已开展了大量的基础研究工作，这为激光等离子体通道早日应用于实际奠定了坚实的理论基础。

现有的理论和实验研究结果充分说明了飞秒激光等离子体通道能够有效地传导电能和射频电磁能。就其传导射频电磁能方面而言，其传导能力与电磁波模式、电磁波频率以及等离子体波导模型等物理参量间的关系有待进一步广泛、深入的研究。

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