CN105916282A - 飞秒激光成丝加载高压后诱导产生离子风的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种飞秒激光成丝加载高压后诱导产生离子风的装置，包括：飞秒激光器、聚焦透镜、高压电源、绝缘塑料杆、球形铜电极、风速仪。本发明利用飞秒光丝穿过球形电极中心，在电极加载高压后，可使在射出电极的飞秒光丝一端发生电晕放电现象。本发明的特点在于利用经特殊设计的金属电极与飞秒光丝之间巧妙的相互关联，能够提升高压加载效率，在高压条件下，可以远程产生电晕放电和离子风。本发明可用于工业大型器械的冷却、大气污染物治理、人工影响天气等领域中，通过一定的改造，甚至能够成为实现更远距离且方向可控的离子风产生装置。

Description

飞秒激光成丝加载高压后诱导产生离子风的装置及方法
技术领域
本发明涉及高压放电领域以及高压与激光等离子体的相互作用，本发明的原理是利用飞秒光丝具有一定的导电性，因此可以将飞秒光丝视为一种导体，由于飞秒光丝在结构上存在离子浓度分布的不均匀性，出现了类似于金属电极的表面曲率分布差异，光丝在加载上直流正高压后，能够在那些离子浓度出现较大梯度差的部分发生电晕放电，同时产生离子风。
背景技术
强飞秒激光在空气中传输的过程中，当克尔效应产生的自聚焦效应与激光电离空气后产生的等离子体引起的散焦效应达到一种动态平衡时，激光在空气中自导引传输，形成了很长的等离子体通道，这就是飞秒激光的成丝现象，这种飞秒光丝结构在激光引雷等环境应用方面应用具有重要意义。
电晕放电是气体介质在不均匀电场中的局部自持放电，是最常见的一种气体放电形式。在曲率半径很小的尖端电极附近，由于局部电场强度超过气体的电离场强，使气体发生电离和激励，因而出现电晕放电，在产生电晕时在电极周围可以看到蓝紫色亮光，并伴有咝咝声。
正电晕放电过程中，在电离区域，电离产生的电子向电极漂移，并被吸入电极，而正离子团向负极端漂移，在运动过程驱动空气中的中性气体分子流动，产生定向气流，称之为离子风，或电晕风。
传统的产生电晕的方式是使用具有尖端结构的金属电极，施加足够的高压，利用电极的尖端产生电晕放电，从而诱导离子风的产生。但该方法受到施加电压的极性和大小、电极的形状、正负电极间距等因素的影响，作用范围有限。
飞秒光丝加载高压后诱导产生离子风的原理为：当球形铜电极加载上高压后，由于飞秒光丝是一种等离子体通道，其内部有大量的自由电子和离子，具有一定的导电性能，在高压电场作用下，内部电荷发生定向移动，并在光丝的表面曲率半径较小处累积足够的电荷。在光丝的尖端，电势值能够达到一个相对较高的值，并在附近产生足够强的电场，当该电场值超过空气电离阈值时将电离空气，产生电晕放电，而电晕放电过程中，受到激励的正离子团在电场驱动下，向负极或无穷远处定向漂移，在运动过程中驱动空气而产生气流，即离子风。
发明内容
本发明的目的是针对传统的离子风产生方式存在的局限性，提出的改良方法。当飞秒光丝从特殊设计的高压电极中穿过时，飞秒光丝表面能够加载一定的电势，而光丝内部的存在离子的不同分布，在特定位置处出现相当于金属电极的‘尖端’结构，因而在高压作用下，光丝的尖端产生电晕放电并诱导产生离子风。由于可以通过调节激光的单脉冲能量、聚焦透镜的焦距等参数来控制光丝的长度和光丝内部的离子浓度，因此可以在空间上改变电晕和离子风的产生位置，条件满足时，甚至能远距离的产生离子风，为未来拓展离子风的应用提供了无限的可能。
本发明的技术解决方案如下：
一种飞秒激光成丝加载高压后诱导产生离子风的装置，其构成包括：飞秒激光器、聚焦透镜、光学平台、绝缘塑料螺杆、绝缘转换体、球形铜电极和高压电源；
所述的球形铜电极的中心通有圆柱形孔道，该球形铜电极设有圆柱形接头，接头经绝缘转换体与绝缘塑料螺杆的一端固定连接，该绝缘塑料杆的另一端固定在光学平台上，所述的球形铜电极的接头通过高压电缆与高压电源相连，所述的光学平台接地；
所述的飞秒激光器输出的激光经聚焦透镜聚焦，并通过球形铜电极的中心通道形成一段飞秒光丝，该飞秒光丝前段在球形铜电极的内部中心通道内，后段在球形铜电极外。
所述的飞秒激光成丝加载高压后诱导产生离子风的装置还包括一部分测量装置，其构成包括：绝缘塑料杆、绝缘转换体和风速仪。
所述的测量装置中，风速仪的探头安装在飞秒光丝出射端，并保持特定的距离，防止探头被击穿，所述的探头经绝缘转换体与绝缘塑料螺杆的一端固定连接，该绝缘塑料杆的另一端固定在所述的光学平台上。
利用所述的飞秒激光成丝加载高压后诱导产生离子风的装置诱导产生离子风的方法，包括如下步骤：
(1)打开飞秒激光器，调节激光输出参数到设定的值，达到满足飞秒激光成丝的条件，飞秒激光通过球形铜电极的中心通道，并在中心通道内和出射端形成一段飞秒光丝；
(2)打开风速仪开关，调节探头位置；
(3)打开高压电源开关，逐渐增加所加载电压的值至设定值，在已形成的飞秒光丝的尖端观察到有电晕现象的产生；
(4)记录下风速仪表盘上的风速值，改变风速仪的探头与飞秒光丝出射尖端的空间位置关系，记录飞秒光丝尖端不同位置处的产生离子风的速度分布；
(5)改变高压电源的加载电压值，记录在不同电压下的光丝产生的离子风的气流速度及其空间分布；
(6)将电压固定在设定值，更改飞秒激光器输出的单脉冲激光能量，分别记录在不同激光能量下光丝尖端产生的离子风的气流速度分布。
与现有技术相比，本发明的优点：
通过设计出具有特殊几何结构的电极，可以提升光丝在高压电场下的电势加载效率，光丝作为一种导体，同时也具有‘尖端’结构，可以在加载高电势的条件下产生电晕放电现象并诱导产生离子风。由于光丝的长度和整体光路的可变性，可以在特定空间里实现长度可控、方向可变的光丝，而电晕主体主要发生在光丝尖端，从而可以实现方向，位置可控的离子风。
同时本装置和光路较为简易，适用范围广，可以将光路和高压装置改良，实现更广泛的应用。
附图说明
图1为本发明飞秒激光成丝加载高压后诱导产生离子风的装置的结构示意图
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明进行详细介绍，但不应以此限制本发明的保护范围：
请参阅图1，图1是本发明飞秒激光成丝加载高压后诱导产生离子风的装置的结构示意图。由图可见，该装置包括飞秒激光器1、聚焦透镜2、光学平台3、绝缘塑料螺杆5、绝缘转换体6、球形铜电极7、绝缘塑料螺杆8、绝缘转换体9、高压电源10和风速仪12。
所述的球形铜电极7尾端为一个铜金属球，中心通有圆柱形孔道，铜金属球一端有一圆柱形接头，接头经绝缘转换体6与绝缘塑料螺杆5的一端固定连接，该绝缘塑料杆5的另一端固定在光学平台3上，所述的球形铜电极7通过高压电缆与高压电源12相连，所述的光学平台3通过金属网接地4；
所述的球形铜电极主体为金属球形结构，球形电极的直径为4cm,在电极中心开设有水平的圆柱形通孔，孔道的内径为3mm，长为4cm；
所述的飞秒激光器1输出的激光经聚焦透镜2聚焦，光束在聚焦过程中通过球形铜电极7中心孔道的前端口，在中心孔道内形成飞秒光丝，飞秒光丝再通过中心孔道的后端口出射并延伸出去；所述的风速仪12在飞秒光丝的尾端附近探测电晕放电诱导的离子风的流速。
所述的球形铜电极中心通道的轴线与飞秒光丝重合，飞秒光丝距离金属电极的内壁距离约1.5mm。
通过改变绝缘塑料固定杆8的位置，可以在相同的电压值条件下，由风速仪测出不同位置的离子风的风速。
通过调节高压电源10的输出电压值，由0KV、5KV、10KV、15KV、20KV、25KV、30KV、35KV、40KV、45KV、50KV，可以测出在相同位置处诱导产生的离子风的流速。
通过改变激光器输出激光脉冲的能量，单脉冲能量由0.5mJ、1.0mJ、1.5mJ、2.0mJ、2.5mJ、3.0mJ、3.5mJ、4.0mJ、4.5mJ、5.0mJ、6mJ、7mJ渐变时，可以改变飞秒光丝的空间长度，因此改变光丝尖端的位置，达到改变电晕发生位置的目的，从而实现了在不同位置诱导电晕放电及离子风的目标。
本发明利用飞秒光丝加载高压后诱导产生离子风，首次提出了用光丝作为媒介，诱导电晕放电和离子风的产生，并提出方向、距离可控的离子风发生装置的设计理念。

Claims (3)

1.一种飞秒激光成丝加载高压后诱导产生离子风的装置，特征在于其构成包括：飞秒激光器(1)、聚焦透镜(2)、光学平台(3)、绝缘塑料螺杆(5)、绝缘转换体(6)、球形铜电极(7)和高压电源(10)；
所述的球形铜电极(7)的中心通有圆柱形孔道，该球形铜电极(7)的中部设有圆柱形接头，接头经绝缘转换体(6)与绝缘塑料螺杆(5)的一端固定连接，该绝缘塑料杆(5)的另一端固定在光学平台(3)上，所述的球形铜电极(7)的接头通过高压电缆与高压电源(10)相连，所述的光学平台(3)接地；
所述的飞秒激光器(1)输出的激光经聚焦透镜(2)聚焦，并通过球形铜电极(7)的中心通道形成一段飞秒光丝，该飞秒光丝前段在球形铜电极(7)的内部中心通道内，后段在球形铜电极(7)外。
2.根据权利要求1所述的飞秒激光成丝加载高压后诱导产生离子风的装置，其特征在于，还包括绝缘塑料杆(8)、绝缘转换体(9)和风速仪(12)；所述的风速仪(12)的探头(11)安装在飞秒光丝出射端，并保持特定的距离防止探头(11)被击穿，所述的探头(11)经绝缘转换体(9)与绝缘塑料螺杆(8)的一端固定连接，该绝缘塑料杆(8)的另一端固定在所述的光学平台(3)上。
3.利用权利要求1所述的飞秒激光成丝加载高压后诱导产生离子风的装置诱导产生离子风的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
①打开飞秒激光器(1)，调节激光输出参数到设定的值，达到满足飞秒激光成丝的条件，飞秒激光通过球形铜电极的中心通道，并在中心通道内和出射端形成一段飞秒光丝；
②打开风速仪(12)开关，调节探头(11)位置；
③打开高压电源(14)开关，逐渐增加所加载电压的值至设定值，在已形成的飞秒光丝的尖端观察到有电晕现象的产生；
④记录下风速仪表盘上的风速值，改变风速仪的探头(11)与飞秒光丝出射尖端的空间位置关系，记录飞秒光丝尖端不同位置处的产生离子风的速度分布；
⑤改变高压电源(10)的加载电压值，记录在不同电压下的光丝产生的离子风的气流速度及其空间分布；
⑥将电压固定在设定值，更改飞秒激光器(1)输出的单脉冲激光能量，分别记录在不同激光能量下光丝尖端产生的离子风的气流速度分布。
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