CN105004839B - 激光诱导水凝结模拟系统 - Google Patents
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Abstract
一种激光诱导水凝结模拟系统，其实质是将飞秒激光脉冲聚焦之后，射入由半导体制冷组件控制环境温度的腔室中，聚焦激光在腔室中成丝，激光丝在不同的环境中，诱导激发腔室内的水凝结；本发明通过分别调节加在半导体制冷片和加热电阻丝上的电流，来控制腔室内的温、湿度，实现不同环境下的激光诱导水凝结。本发明装置可模拟不同的实验环境，结构简单，操作安全方便，价格便宜，适用于研究分析不同环境条件下的激光诱导水凝结现象。
Description
技术领域
本发明涉及激光诱导水凝结，特别是一种激光诱导水凝结模拟系统。
背景技术
一直以来，人工诱导降雨降雪是人类的一个美好梦想，迄今为止，传统的方法主要是在空气中播撒小颗粒的干冰、碘化银以及其他的盐。由于人工降雨降雪对农业和人类其他活动有重要的影响，因此，研究人工降雨降雪问题尤为重要。近年来，随着飞秒激光技术的迅猛发展，超强超短激光脉冲射入空气中被证明能产生一条等离子体通道，俗称激光光丝，从而能够诱导激发水凝结。这种激光光丝起源于光克尔自聚焦和等离子体自散焦的一个动态平衡。基于激光光丝独特的性质，激光光丝在飞秒激光诱导水凝结方面有许多潜在的应用，且引起广泛的关注。因此，开展相关的基础研究和应用探索研究具有十分重要的意义。
目前，关于激光诱导水凝结在空气和云室中的相关研究已经展开[参见文献1：P.Rohwetter,J.Kasparian,K.Stelmaszczyk,Z.Hao,S.Henin,N.Lascoux,W.M.Nakaema,Y.Petit,M.Queiβer,R.Salamé,E.Salmon,L.and J.-P.Wolf,“Laser-induced water condensation in air,”Nat.Photonics 4(7),451–456,2010；2：S.Henin,Y.Petit,P.Rohwetter,K.Stelmaszczyk,Z.Q.Hao,W.M.Nakaema,A.Vogel,T.Pohl,F.Schneider,J.Kasparian,K.Weber,L.and J.-P.Wolf,“Field measurementssuggest the mechanism of laser-assisted water condensation,”Nat.Commun.2,456,2011]。其中激光诱导水凝结在云雾室中的研究，其研究的核心技术是控制激光诱导水凝结模拟系统中云雾室的环境温度。一般采用在云室底板下面盘冷凝管，然后通过压缩机压缩冷却冷凝管的方式来调整腔室的环境温度，这种方法结构复杂，成本较高。另外，也有通过干冰制冷的方式调节云雾室内的温度，干冰由于其易挥发等特点，在制冷方面有广泛的应用。干冰制冷的方法操作简易，成本也比较低，但是由于其极易挥发，升华为比固体体积大600-800倍的气体二氧化碳，所以利用干冰制冷不能在密封性能好、体积较小的容器中，容易引起爆炸，同时，干冰制冷不能够精准的控制云雾室环境温度。
发明内容
本发明目的在于解决上述现有技术存在的问题，提出一种激光诱导水凝结模拟系统，该系统结构简单，操作安全方便，价格便宜，可模拟不同环境条件下的激光诱导水凝结现象。
本发明的技术解决方案如下：
飞秒激光器、透镜、半导体制冷组件、紫铜块散热片、半导体制冷片、紫铜块冷却片、有机玻璃腔室、水槽、加热电阻丝、温湿度探测装置、直流电流源、光束收集装置；
所述的有机玻璃腔室是由六块有机玻璃通过粘合剂拼合而成六面体空腔，该有机玻璃腔室的四个侧面的中心依次设有第一激光窗口、水凝结现象观察窗口、第二激光窗口和光谱探测窗口，所述的四个窗口均安装石英玻璃密封，所述的有机玻璃腔室的一个左侧面或右侧面设有水管通孔和导线通孔，在该有机玻璃腔室上的四周内壁设有水槽，在水槽内放置加热电阻丝，该加热电阻丝经所述的导线通孔与所述的第二直流电流源相连，所述的水槽的进水管经所述的水管通孔与所述的储水箱的出水口相连，所述的温湿度探测装置的探头经所述的导线通孔与所述的温湿度探测装置相连接；
所述的半导体制冷组件包括四个半导体制冷件，所述的半导体制冷件均匀分布安装在所述的有机玻璃腔室顶层的有机玻璃上，每个半导体制冷件自上而下由紫铜块散热片、半导体制冷片和紫铜块冷却片构成，所述的半导体制冷片以串联的方式通过导线串联后与所述的第一直流电流源相连，所述的有机玻璃腔室的六个外表面覆盖绝热材料；
沿所述的飞秒激光器输出的激光光束方向依次设置所述的透镜、第一激光窗口、第二激光窗口和光束收集装置，所述的飞秒激光器发射的激光光束，经过所述的透镜聚焦，在所述的有机玻璃腔室中形成等离子体通道，俗称激光光丝，诱导激发水凝结。
所述的通过改变加在所述的半导体制冷组件的电流，调节所述的有机玻璃腔室内的环境温度。
所述的通过改变加在所述水槽内加热电阻丝上的电流，调节所述的有机玻璃腔室内的环境湿度。
与现有技术相比，本发明具有如下的显著特点：
1、本发明通过调节加在半导体制冷片上的电流，调控腔室内的环境温度，系统结构更加简单，操作更加安全方便，价格更加便宜，调控环境温度更加精准有效；
2、本发明中有机玻璃腔室以及在其六个外表面覆盖绝缘材料，既能很好地保持了腔室内的环境温度，又节约了加工腔室的成本，利用有机玻璃腔室的实验过程也更加方便快捷；
3、本发明能够较好的实现不同环境中的激光诱导水凝结的基础研究；温控装置和湿度控制装置能够有效地调节腔室内温度和湿度，从而模拟腔室内不同的环境条件。
附图说明
图1为本发明激光诱导水凝结模拟系统的结构立体图；
图2为半导体制冷组件AA部分剖视图；
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但不应因此限制本发明的保护范围。
参阅图1，图1为本发明激光诱导水凝结模拟系统的结构立体图,如图所示，本发明激光诱导水凝结模拟系统，包括飞秒激光器1、透镜2、半导体制冷组件7、有机玻璃腔室4、水槽13、加热电阻丝14、温湿度探测装置21、第一直流电流源8、第二直流电流源20、光束收集装置6；
所述的有机玻璃腔室4是由六块有机玻璃通过粘合剂拼合而成六面体空腔，该有机玻璃腔室4的四个侧面的中心依次设有第一激光窗口3、水凝结现象观察窗口16、第二激光窗口5和光谱探测窗口15，所述的四个窗口均安装石英玻璃密封，所述的有机玻璃腔室4的左侧面或右侧面设有一个水管通孔10和两个导线通孔11、12，在该有机玻璃腔室4上的四周内壁设有水槽13，在水槽13内放置加热电阻丝14，该加热电阻丝14经所述的第一导线通孔11与所述的第二直流电流源20相连，所述的水槽13的进水管经所述的水管通孔10与所述的储水箱9的出水口相连，所述的温湿度探测装置21的探头经所述的第二导线通孔12与所述的温湿度探测装置21相连接；
所述的半导体制冷组件7包括四个半导体制冷件，所述的半导体制冷件均匀分布安装在所述的有机玻璃腔室4顶层的有机玻璃上，每个半导体制冷件自上而下由紫铜块散热片17、半导体制冷片18和紫铜块冷却片19构成，所述的半导体制冷片18以串联的方式通过导线串联后与所述的第一直流电流源8相连，所述的有机玻璃腔室4的六个外表面覆盖绝热材料；
沿所述的飞秒激光器1输出的激光光束方向依次设置所述的透镜2、第一激光窗口3、第二激光窗口5和光束收集装置6，所述的飞秒激光器1发射的激光光束，经过所述的透镜2聚焦，在所述的有机玻璃腔室4中形成等离子体通道，俗称激光光丝，诱导激发水凝结。
所述的通过改变加在所述的半导体制冷片上的电流，调节所述的有机玻璃腔室4内的环境温度。
通过改变加在所述的水槽13内加热电阻丝14上的电流，调节所述的有机玻璃腔室4内的环境湿度。
图2为本发明中为半导体制冷组件AA部分剖视图，如图所示，所述的半导体制冷件自上而下由紫铜块散热片17、半导体制冷片18和紫铜块冷却片19构成，所述的半导体制冷片18镶嵌在所述的有机玻腔室顶板中，与所述的紫铜块散热片17下表面以及紫铜块冷却片19上表面紧密接触。
经试验表明，本发明可以通过调节加在所述的半导体制冷片上的电流，调节所述的有机玻璃腔室内的环境温度；通过改变加在所述的水槽内加热电阻丝上的电流，调节所述的有机玻璃腔室内的环境湿度。从而实现不同条件下的激光诱导水凝结。本发明可模拟不同的实验环境，结构简单、调节方便、操作安全，适用于观察分析不同环境条件下的激光诱导水凝结现象。其实质属于超强超短飞秒激光技术，适用于人工研究降雨降雪的基础研究和应用研究领域。
Claims (1)
1.一种激光诱导水凝结模拟系统，特征在于其构成包括：飞秒激光器(1)、透镜(2)、半导体制冷组件(7)、紫铜块散热片(17)、半导体制冷片(18)、紫铜块冷却片(19)、有机玻璃腔室(4)、水槽(13)、加热电阻丝(14)、温湿度探测装置(21)、第一直流电流源(8)、第二直流电流源(20)、光束收集装置(6)；
所述的有机玻璃腔室(4)是由六块有机玻璃通过粘合剂拼合成六面体空腔，该有机玻璃腔室(4)的四个侧面的中心依次设有第一激光窗口(3)、水凝结现象观察窗口(16)、第二激光窗口(5)和光谱探测窗口(15)，所述的四个窗口均安装石英玻璃密封，所述的有机玻璃腔室(4)的左侧面或右侧面设有一个水管通孔(10)、第一导线通孔(11)和第二导线通孔(12)，在该有机玻璃腔室(4)上的四周内壁设有水槽(13)，在水槽(13)内放置加热电阻丝(14)，该加热电阻丝(14)经所述的第一导线通孔(11)与所述的第二直流电流源(20)相连，所述的水槽(13)的进水管经所述的水管通孔(10)与储水箱(9)的出水口相连，所述的温湿度探测装置(21)的探头经所述的第二导线通孔(12)与所述的温湿度探测装置(21)相连接；
所述的半导体制冷组件(7)包括四个半导体制冷件，所述的半导体制冷件均匀分布安装在所述的有机玻璃腔室(4)顶层的有机玻璃上，每个半导体制冷件自上而下由紫铜块散热片(17)、半导体制冷片(18)和紫铜块冷却片(19)构成，所述的半导体制冷片(18)以串联的方式通过导线串联后与所述的第一直流电流源(8)相连，所述的有机玻璃腔室(4)的六个外表面覆盖绝热材料；
沿所述的飞秒激光器(1)输出的激光光束方向依次是所述的透镜(2)、第一激光窗口(3)、第二激光窗口(5)和光束收集装置(6)，所述的飞秒激光器(1)发射的激光光束，经过所述的透镜(2)聚焦，在所述的有机玻璃腔室(4)中形成等离子体通道，俗称激光光丝，诱导激发水凝结。
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