CN102509830B - 一种含有飞秒激光等离子体丝的双线传输线装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了含有飞秒激光等离子体丝的双线传输线装置，结合了电磁波耦合技术、电磁信号发射与探测技术以及飞秒激光在空气中成丝技术，采用飞秒激光在空气中产生的等离子体丝作为双线传输线的一部分，以其较好的导电性以及公里量级的长距离传输等优点，可实现瞬时的、虚拟的定向传导电磁能，且具有隐蔽性。本发明结构设计巧妙，简单适用，可应用于军事、民用中的电磁信号传输等。

Description

一种含有飞秒激光等离子体丝的双线传输线装置
技术领域
本发明涉及一种含有飞秒激光等离子体丝的双线传输线装置，属于电磁波传导技术领域。
背景技术
电磁信号传输技术日益成熟，传统的非接触式电磁能传导技术存在天线口径和测量电磁能量密度难以兼顾的问题，如：抛物面型微型天线，其传输信号的方向性由天线的口径来决定，只有增大天线的口径才能提高所传输电磁信号的方向性。但这种传能方式需要很大口径尺寸(达数米)的天线，其硬件要求对于利用射频方式传输高能量的实际需要无法实现的，不适合用作高能量密度电磁能得定向传递。[翟亦峰，娄华威，一种抛物面天线的自动折叠方案及实现.2007，23(3)：41-43]
随着飞秒激光及其放大技术的不断发展，以及人们对其在空气中产生的等离子体丝的特性研究不断深入，将飞秒激光等离子体丝作为一条虚拟的传导线并应用于对电磁信号的传导中成为可能。飞秒激光在大气中形成的等离子体通道长度可达公里量级，通道直径约在100-200μm之间，丝内的电子密度为1014到1018/cm3，单位长度的电阻在3.6×105到6.4×107Ω/m之间，较空气的电阻降低了至少6个数量级，相当于一根复杂的柱形传输线，可以结合电磁波的传导理论，引导电磁波沿一定方向长距离传输。[A.Becker，N.
Figure GSB0000114057380000011
，K.Vi jayalakshmi，E.Oral，C.M.Bowden，and S.L.Chin，Intensity clamping and re-focusing of intense femtosecondlaser pulses in nitrogen molecular gas，Appl.Phys.2001，B73，2187-2290]
发明内容
为解决非接触式、虚拟传输线定向传输高能量密度电磁能的问题，本发明提供了一种含有飞秒激光等离子体丝的双线传输线装置，利用飞秒激光脉冲在大气中形成数米长的等离子丝和铜丝构成平行传输线装置。本发明之一种含有飞秒激光等离子体丝的双线传输线装置，其包括飞秒激光器1、聚焦透镜2、含有激光等离子体丝的双线传输线3、发射波导I4、同轴转换器I5、信号发生器6、接收波导II7、同轴转换器II8、检波器9和示波器10构成；其中，飞秒激光器1、聚焦透镜2和含有激光等离子体丝的双线传输线3依次连接；信号发生器6、同轴转换器I5和发射波导I4依次连接；含有激光等离子体丝的双线传输线3分别于发射波导I4和接收波导II7连接；接收波导II7、同轴转换器II8、检波器9与示波器10依次连接；发射波导I4和接收波导II7结构相同，由上三角铜片18、下三角铜片19和矩形波导17构成。
飞秒激光器1产生的飞秒激光脉冲在空气中经聚焦透镜2汇聚后产生等离子体丝，该等离子体丝与直径为0.5mm的铜丝构成平行双线传输线结构，即含有等离子体丝的双线传输线3，双线在同一平面上，且间距为1cm。由信号发生器6输出电磁波信号，经同轴转换器I5导入发射波导I4，并耦合到含有等离子体丝双线3中；
发射波导I4和接收波导II7中的上三角铜片18的内平面与波导17上端的内平面保持水平，下三角铜片19的内平面与波导17下端的内平面保持水平。激光等离子体丝从距离波导的上三角铜片18尖端100μm处通过，铜丝与发射波导I4下三角铜片19尖端紧靠，由接收波导II7接收电磁信号，经同轴转换器II8和同轴晶体检波器9将电磁信号转化为直流信号后，由示波器10检测接收到的电磁信号；
沿双线传输线方向改变发射波导I4和接收波导II7的间距，改变发射波导I4和接收波导II7的间距观察示波器探测到的电磁信号，验证含有飞秒激光等离子体丝的双线传输线装置传导电磁信号的能力；
所述的操作流程如图2所示。结合硬件操作流程并说明本发明的含有飞秒激光等离子体丝的双线传输线装置传输电磁信号的步骤如下：
执行步骤11，开始，装置自检；自检正常，执行步骤12；
执行步骤12，开启飞秒激光器1，产生的飞秒激光脉冲经聚焦透镜2聚焦后在空气中形成等离子体丝，并与铜丝构成双线传输线结构，本发明装置进入预工作状态；
执行步骤13，信号发生器6输出电磁波信号，含有飞秒激光等离子体丝的双线传输线装置正式进入工作状态；
信号发生器6输出的电磁波信号，经同轴转换器I5导入发射波导I4，并耦合到含有等离子体丝双线3中，电磁信号即限制在等离子体丝与铜丝之间，进行电磁信号的传导；
执行步骤14，由接收波导II7接收到电磁信号，该电磁信号经同轴转换器II8和同轴晶体检波器9转化为直流信号后，由示波器10检测；
执行步骤15，导出示波器10接收到的含有等离子体丝的双线传输线装置传输的电磁信号，对比该信号与空气中自有传输电磁信号的强度；
执行步骤16，结束。
有益效果：本发明结合了电磁波耦合技术、电磁信号发射与探测技术以及飞秒激光在空气中成丝技术，采用飞秒激光等离子体丝和铜丝作为平行双线传输线。本发明之含有飞秒激光等离子体丝的双线传输线装置结构简单，可对电磁能进行虚拟、定向传输。
本发明所选用飞秒激光器脉宽窄，脉冲能量高可，可在空气中形成几米甚至十几米长的等离子体丝，有助于电磁能的长距离传输；由于等离子体丝形成的双线传输线可以随时布线和收线，使整套装置具有很强的隐蔽性，可实现远距离瞬时的高能量密度电磁能传导。本发明结构设计巧妙，结构简单。可用于军事、民用中的电磁信号传输等。
附图说明
图1是一种含飞秒激光等离子体丝的双线传输线装置的示意框图。
图2是一种含飞秒激光等离子体丝的双线传输线装置的流程图。
图3是磨合三角铜片的三视图。
图4是发射波导I4和接收波导II7的结构示意图。
具体实施方式
实施例1
本发明的一种含有飞秒激光等离子体丝的双线传输线装置，其包括飞秒激光器1、聚焦透镜2、含有激光等离子体丝的双线传输线3、发射波导I4、同轴转换器I5、信号发生器6、接收波导II7、同轴转换器II8、检波器9和示波器10构成；其中，飞秒激光器1、聚焦透镜2和含有激光等离子体丝的双线传输线3依次连接；信号发生器6、同轴转换器I5和发射波导I4依次连接；含有激光等离子体丝的双线传输线3分别与发射波导I4和接收波导II7连接；接收波导II7、同轴转换器II8、检波器9与示波器10依次连接；发射波导I4和接收波导II7结构相同，由上三角铜片18、下三角铜片19和矩形波导17构成。
飞秒激光器1采用的是中心波长800nm、脉宽100fs、脉冲能量14mJ、重复频率10Hz的Ti蓝宝石飞秒激光系统，其产生的飞秒激光脉冲在空气中经1m焦距的聚焦透镜2汇聚后产生直径为100μm的等离子体丝，该等离子体丝与直径为0.5mm的铜丝构成平行双线传输线结构，双线在同一平面上，且间距为1cm。激光等离子体丝从距离波导的上三角铜片18尖端100μm处通过，铜丝与发射波导I4下三角铜片19尖端紧靠。由信号发生器6输出频率为10GHz、输出功率为5mW的电磁波信号，经同轴转换器I5导入发射波导I4，并耦合到含有等离子体丝的双线传输线3中；
接收波导II7和发射波导I4结构相同，双线传输线传导的电磁信号由接收波导II7接收，再经同轴转换器II8和同轴晶体检波器9将电磁信号转化为直流信号，其中检波器相应时间为1ns，最后由示波器10检测接收到的电磁信号；
改变发射波导I4和接收波导II7的间距，观察示波器探测到的电磁信号，验证含有飞秒激光等离子体丝的双线传输线装置传导电磁信号的能力；所述的操作流程如图2所示；
执行步骤11，开始，装置自检；自检正常，执行步骤12；
执行步骤12，开启飞秒激光器1，产生的飞秒激光脉冲经聚焦透镜2聚焦后在空气中形成等离子体丝，并与铜丝构成双线传输线结构3，本发明装置进入预工作状态；
执行步骤13，信号发生器6输出电磁波信号，本发明装置正式进入工作状态；
信号发生器6输出的电磁波信号，经同轴转换器I5导入发射波导I4，并耦合到含有等离子体丝的双线传输线3中，电磁信号即限制在等离子体丝与铜丝之间，进行电磁信号的传导；
执行步骤14，由接收波导II7接收到的电磁信号，该电磁信号经同轴转换器II8和同轴晶体检波器9转化为直流信号后，由示波器10检测；
执行步骤15，导出示波器10接收到的含有等离子体丝的双线传输线装置传输的电磁信号，对比该信号与空气中自由传输的电磁信号的强度；
执行步骤16，结束。
实施例2
聚焦透镜2采用的是长焦距平凸透镜，焦距为2m；其余的同实施例1。
实施例3
聚焦透镜2采用的是长焦距平凸透镜，焦距为3m；其余的同实施例1。
实施例4
信号发生器6采用的是高频电磁信号发生器，输出频率为11GHz；其余的同实施例1。
实施例5
信号发生器6采用的是高频电磁信号发生器，输出频率为12GHz；其余的同实施例1。

Claims (5)

1.一种含有飞秒激光等离子体丝的双线传输线装置，其特征在于，其包括飞秒激光器(1)、聚焦透镜(2)、含有激光等离子体丝的双线传输线(3)、发射波导I(4)、同轴转换器I(5)、信号发生器(6)、接收波导II(7)、同轴转换器II(8)、检波器(9)和示波器(10)构成；信号发生器(6)、同轴转换器I(5)和发射波导I(4)依次连接；含有激光等离子体丝的双线传输线(3)分别与发射波导I(4)和接收波导II(7)连接；接收波导II(7)、同轴转换器II(8)、检波器(9)与示波器(10)依次连接；发射波导I(4)和接收波导II(7)结构相同，由上三角铜片(18)、下三角铜片(19)和矩形波导(17)构成；
飞秒激光器(1)产生的飞秒激光脉冲在空气中经聚焦透镜(2)汇聚后产生等离子体丝，该等离子体丝与铜丝构成平行双线传输线结构，即含有等离子体丝的双线传输线(3)，且间距为1cm；信号发生器(6)输出的电磁波信号，经同轴转换器I(5)导入发射波导I(4)，并耦合到含有等离子体丝的双线传输线(3)中；电磁信号即在等离子体丝和铜丝间发生反射，由接收波导II(7)接收，经同轴转化器II(8)和同轴晶体检波器(9)将电磁信号转化为直流信号后，由示波器(10)检测接收到的电磁信号；
发射波导I(4)和接收波导II(7)中的上三角铜片(18)的内平面与波导(17)上端的内平面保持水平，下三角铜片(19)的内平面与波导(17)下端的内平面保持水平；激光等离子体丝从距离波导的上三角铜片(18)尖端100μm处通过，铜丝与发射波导I(4)下三角铜片(19)尖端紧靠，保证电磁信号较好传输；
沿双线传输线方向改变发射波导I(4)和接收波导II(7)的间距，观察示波器探测到的电磁信号，验证含有飞秒激光等离子体丝的双线传输线装置传导电磁信号的能力。
2.如权利要求1所述的含有飞秒激光等离子体丝的双线传输线装置，其特征在于，所述的聚焦透镜(2)分别采用焦距为1m或2m或3m的长焦距平凸透镜。
3.如权利要求1所述的含有飞秒激光等离子体丝的双线传输线装置，其特征在于，所述的含有等离子体丝的双线传输线(3)，是由相互平行的飞秒激光等离子体丝与一根直径为0.5mm的铜丝构成的，其中激光等离子体丝是飞秒激光脉冲在大气中的自聚焦效应与等离子体散焦效应的动态平衡的结果，其直径为100μm。
4.如权利要求1所述的含有飞秒激光等离子体丝的双线传输线装置，其特征在于，所述的发射波导I(4)和接收波导II(7)以及矩形波导(17)的长均为22.86mm，宽均为10.16mm，都可以传导频率范围为8.20GHz～12.5GHz的电磁信号。
5.如权利要求1所述的含有飞秒激光等离子体丝的双线传输线装置，其特征在于，所述的检波器(9)为同轴晶体检波器，其将电磁波转化为直流信号的响应时间为1ns。
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