CN114019326A - 用于产生长距离可控高压放电激光诱导放电方法及系统 - Google Patents

用于产生长距离可控高压放电激光诱导放电方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了用于产生长距离可控高压放电的激光诱导放电系统，包括：高功率超短脉冲激光光源、引导光路、放电系统和控制系统；激光经引导光路后入射至放电系统，激光与放电的空间配合关系由引导光路决定，激光与放电的时间配合关系由控制系统决定；引导光路，由若干反射镜与一面凸透镜组成，凸透镜与棒电极端部的距离
Figure DDA0003336607070000011
所述控制系统获取激光信号启动放电模块；控制系统还设置触发时延δt＝1ms‑td‑tf。本发明的激光诱导放电系统能够产生米级沿激光路径的可控高压放电，具有稳定的触发和引导特性，对推进激光引雷、远距离探测等领域的发展具有重要意义。

Description

用于产生长距离可控高压放电激光诱导放电方法及系统
技术领域
本发明涉及高电压应用技术领域，具体来说是一种用于产生长距离可控高压放电激光诱导放电方法及系统。
背景技术
激光诱导放电是利用激光的可控性和放电的大能量，达到光电能量耦合的一种技术，在精密加工、高压开关同步等领域广泛应用，在激光引雷、远距离探测等领域具有潜在应用价值。目前，纳秒脉冲激光在激光诱导放电领域中的应用较为成熟，但由于纳秒脉冲激光脉宽长，能量高的特征，激光在空气介质中传播时会在空气中产生电子崩以形成击穿火花，对脉冲后沿的激光产生屏蔽作用，无法形成连续的等离子体通道，激光能量也因为空气击穿在传播过程中衰减迅速，严重限制了等离子体通道长度，无法实现高压放电的长距离引导，使激光诱导放电在激光引雷、远距离探测等领域的发展受到限制。
如申请号为CN201910001377.1公开的一种基于双脉冲的激光诱导间隙击穿开关设备，包括：光纤联控激光触发开关装置、信号耦合装置、及控制检测装置；光纤联控激光触发开关装置包括箱体、第一平凸透镜、中空电极、平板电极、及第一光纤连接器；控制检测装置包括双脉冲纳秒激光器、及可编程脉冲延迟发生器；双脉冲纳秒激光器产生首脉冲激光及主脉冲激光，并聚焦到平板电极上；可编程脉冲延迟发生器对首脉冲激光及主脉冲激光的时间间隔进行调节。较弱的首脉冲激光经过光纤聚焦器进入箱体内，诱导产生初始的等离子体；随后主脉冲二次轰击到平板电极的激光能量较高，诱导产生高温高密度的主等离子体，有效地引导间隙击穿放电路径，从而避免激光触发间隙放电过程中的开关抖动和触发延时。该开关设备一定程度上能够解决开关抖动和触发延时的问题，但是依然无法实现高压放电的长距离引导。
近年，超短脉冲激光技术迅猛发展，相较于该技术开创前所使用的高能量纳秒激光，高功率超短脉冲激光在介质中传播时会产生非线性光学效应，利用克尔自聚焦效应和等离子体散焦效应的动态平衡，克服了纳秒激光等离子体通道不连续、距离短的缺点，能够在空气中电离产生连续的长等离子体通道，在引导长距离高压放电、远距离探测等领域具有良好的应用前景。基于超短脉冲激光在空气中的电离与传播机理，这一长等离子体通道在时间和空间上具有其特有的电学特性分布特征，导致激光参数、放电系统参数以及激光与放电系统的时空配合均对高压放电的触发和引导特性具有不同的影响。综上，需要一种激光诱导放电系统，具有稳定的触发和引导特性，用于产生长距离的可控高压放电，推进激光引雷、远距离探测等领域的发展。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种具有稳定的触发和引导特性的长距离的可控高压放电系统。
本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：
用于产生长距离可控高压放电激光诱导放电系统，包括激光系统、引导光路、放电模块和控制系统；所述激光系统的激光光源为高功率超短脉冲激光光源；
所述控制系统接受激光系统的激光信号，根据激光信号启动放电模块；所述控制系统还设置触发时延，
所述引导光路包括多个反射镜和一个凸透镜；激光经多个反射镜后到达凸透镜，经过凸透镜到达放电模块；所述凸透镜与放电模块的棒电极端部的距离通过以下公式计算：
Figure BDA0003336607050000021
Figure BDA0003336607050000022
k指波数，a0指光斑半径，P指激光峰值功率，Pc指激光产生电离成丝的临界功率，f为凸透镜的焦距，zf为激光入射空隙自聚焦效应；
所述时延δt＝1ms-td-tf，td指所述放电模块中冲击电压发生器一级球隙触发到操作冲击电压波形加载至棒电极的时间，tf指冲击电压波形的上升沿时间。
本发明的激光诱导放电系统能够在激光到达棒电极的时刻产生从棒电极端部出发沿激光路径发展的米级放电，实现放电起始时刻可控，放电路径可控的长距离可控高压放电。
进一步的，所述激光光源为基于掺钛蓝宝石增益介质与啁啾脉冲放大技术产生重复频率10Hz、波长800nm、mJ级能量、fs或ps级脉宽超短脉冲激光。
进一步的，所述凸透镜的几何焦距为10m。
进一步的，所述放电模块包括冲击电压发生器、棒电极，所述冲击电压发生器能够产生峰值1.6MV以上的负极性操作冲击电压，棒电极的棒-板间隙距离大于等于2m，棒电极端部曲率半径10mm，棒电极接高压，板电极接地。
进一步的，所述控制系统包括光电探测器、示波器、时延控制器、电光-光电转换模块，所述光电探测器与示波器连接，所述示波器与时延控制器连接，所述时延控制器与电光-光电转换模块连接，所述电光-光电转换模块与放电模块连接。
与上述方法对应的，本发明还提供一种用于产生长距离可控高压放电激光诱导放电方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、搭建放电系统，放电系统包括激光光源、引导光路、放电模块和控制系统；所述激光系统的激光光源为高功率超短脉冲激光光源；所述控制系统接受激光系统的激光信号，根据激光信号启动放电模块；所述控制系统还设置触发时延；
所述引导光路包括多个反射镜和一个凸透镜；激光经多个反射镜后到达凸透镜，经过凸透镜到达放电模块；所述凸透镜与放电模块的棒电极端部的距离通过以下公式计算：
Figure BDA0003336607050000031
Figure BDA0003336607050000032
k指波数，a0指光斑半径，P指激光峰值功率，Pc指激光产生电离成丝的临界功率，f为凸透镜的焦距，zf为激光入射空隙自聚焦效应；
所述时延δt＝1ms-td-tf，td指所述放电模块中冲击电压发生器一级球隙触发到操作冲击电压波形加载至棒电极的时间，tf指冲击电压波形的上升沿时间；
步骤2、启动激光光源，控制系统探测激光光源的第一束激光输出信号，形成触发信号，将触发信号传输给冲击电压发生器；
步骤3、冲击电压发生器收到电信号后触发放电，控制系统的时延设置使得激光系统的第二束信号能够与冲击电压发生器加载在棒电极的电压脉冲时间重合，使放电沿激光路径发展。
进一步的，所述激光光源为基于掺钛蓝宝石增益介质与啁啾脉冲放大技术产生重复频率10Hz、波长800nm、mJ级能量、fs或ps级脉宽超短脉冲激光。
进一步的，所述凸透镜的几何焦距为10m。
进一步的，所述放电模块包括冲击电压发生器、棒电极，所述冲击电压发生器能够产生峰值1.6MV以上的负极性操作冲击电压，棒电极的棒-板间隙距离大于等于2m，棒电极端部曲率半径10mm，棒电极接高压，板电极接地。
进一步的，所述控制系统包括光电探测器、示波器、时延控制器、电光-光电转换模块，所述光电探测器与示波器连接，所述示波器与时延控制器连接，所述时延控制器与电光-光电转换模块连接，所述电光-光电转换模块与放电模块连接。
本发明的优点在于：
本发明的激光诱导放电系统中，高功率超短脉冲激光光源经引导光路后在空气中能够电离形成5m长等离子体通道，远大于现有激光诱导放电系统中纳秒脉冲激光能够在空气中形成的等离子体通道长度；通过引导光路中凸透镜与棒电极端部的距离，可实现由棒电极端部起始的最长距离放电，即给出了最优的激光系统与放电模块的空间配合；时延控制器设置时延，给出了激光系统与放电模块最优的时间配合；在最优的双系统空间配合与时间配合条件下，能够使激光诱导放电概率(激光引起放电触发并使放电沿激光路径发展)达到99％以上且激光诱导放电路径达到米级，对激光引导长距离高压放电、激光引雷、激光远程探测等技术发展具有重要意义。
附图说明
图1为本发明实施例中用于产生长距离可控高压放电的激光诱导放电系统示意图；
图2为应用本发明实施例中方法所产生的米级沿激光路径高压放电的典型放电图像。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本实施例提供一种用于产生长距离可控高压放电激光诱导放电系统，包括激光光源、引导光路、放电模块和控制系统；本实施例中激光光源为高功率超短脉冲激光光源，由基于掺钛蓝宝石增益介质与啁啾脉冲放大技术产生重复频率10Hz、波长800nm、mJ级能量、fs或ps级脉宽超短脉冲激光。高功率超短脉冲激光在介质中传播时会产生非线性光学效应，利用克尔自聚焦效应和等离子体散焦效应的动态平衡，能够在空气中电离产生连续的长等离子体通道。
放电模块包括冲击电压发生器、棒电极，冲击电压发生器能够产生峰值1.6MV以上的负极性操作冲击电压，棒电极的棒-板间隙距离大于等于2m，棒电极端部曲率半径10mm，棒电极接高压，板电极接地。
引导光路包括多个反射镜和一个凸透镜，激光光源发出的激光经过多个反射镜后进入凸透镜，由凸透镜射出入射放电模块。如图1所示，本实施例中采用4个反射镜1、2、3、4将水平射出的激光4次反射水平进入凸透镜5，经凸透镜5入射放电模块。本实施例中凸透镜5的几何焦距为10m。
本实施例中，控制系统包括光电探测器、示波器、时延控制器、电光-光电转换模块，光电探测器与示波器连接，示波器与时延控制器连接，时延控制器(本实施例采用DG535时延控制器)与电光-光电转换模块连接，电光-光电转换模块与放电模块连接。光电探测器探测激光光源的输出信号，由示波器读取；示波器设置上升沿触发，在读取到信号的时刻输出触发信号至DG535时延控制器；DG535时延控制器设置示波器输出信号与新的触发信号的时延并将新的触发信号传至电光转换模块，光信号通过光纤传给光电转换模块后，将最终的电信号传给冲击电压发生器；DG535时延控制器设置时延δt＝1ms-td-tf，td指冲击电压发生器一级球隙触发到操作冲击电压波形加载至棒电极的时间，tf指冲击电压波形的上升沿时间；电光转换模块用于将TTL信号转化为光信号，光电转换模块用于将光信号转化为10kV脉冲信号并触发冲击电压发生器一级球隙。打开激光光源，使激光按10Hz重频输出，输出的第一束激光信号经光电探测器检测后经过控制系统成为冲击电压发生器一级球隙的触发脉冲，控制系统的时延设置使得激光系统的第二束信号能够与冲击电压发生器加载在棒电极的电压脉冲时间重合，从而产生激光诱导放电，引导光路保证的激光系统与放电模块的空间配合则使得产生的激光诱导放电为沿激光路径的长距离高压放电。
本实施例中引导光路的激光射出端与放电模块的棒电极端部的距离通过以下公式计算：
Figure BDA0003336607050000051
Figure BDA0003336607050000052
k指波数，a0指光斑半径，P指激光峰值功率，Pc指激光产生电离成丝的临界功率，f为凸透镜的焦距，zf为激光入射空隙自聚焦效应；
当凸透镜焦距为10m时，计算
Figure BDA0003336607050000053
即该经验公式给出了最优的激光系统与放电模块的空间配合，可实现由棒电极端部起始的最长距离放电；DG535时延控制器设置时延δt＝1ms-td-tf，给出了激光系统与放电模块最优的时间配合；在最优的双系统空间配合与时间配合条件下，能够使激光诱导放电概率(激光引起放电触发并使放电沿激光路径发展)达到99％以上且激光诱导放电路径达到米级，对激光引导长距离高压放电、激光引雷、激光远程探测等技术发展具有重要意义。
本实施例中，根据激光光源位置和棒电极位置来确定引导光路中反射镜的组合关系、位置关系以及凸透镜的几何焦距，以满足最优的激光光源与放电模块的空间配合，也就是凸透镜与棒电极之间的距离。上述的空间距离与时延应满足：当激光光源输出的第一束激光信号经光电探测器检测后经过控制系统成为冲击电压发生器一级球隙的触发脉冲，控制系统的时延设置使得激光系统的第二束信号能够与冲击电压发生器加载在棒电极的电压脉冲时间重合，从而产生激光诱导放电，引导光路保证的激光系统与放电模块的空间配合则使得产生的激光诱导放电为沿激光路径的长距离高压放电。
基于上述的方法，本实施例还提供一种用于产生长距离可控高压放电激光诱导放电方法，包括以下步骤：
步骤1、搭建放电系统，放电系统包括激光光源、引导光路、放电模块和控制系统；激光光源经引导光路到达放电模块；
控制系统包括光电探测器、示波器、时延控制器、电光-光电转换模块，光电探测器与示波器连接，示波器与时延控制器连接，时延控制器与电光-光电转换模块连接，电光-光电转换模块与放电模块连接；
引导光路的激光射出端与放电模块的棒电极端部的距离通过以下公式计算：
Figure BDA0003336607050000061
Figure BDA0003336607050000062
k指波数，a0指光斑半径，P指激光峰值功率，Pc指激光产生电离成丝的临界功率，f为凸透镜的焦距，zf为激光入射空隙自聚焦效应；
时延控制器设置时延δt＝1ms-td-tf，td指放电模块中冲击电压发生器一级球隙触发到操作冲击电压波形加载至棒电极的时间，tf指冲击电压波形的上升沿时间；
步骤2、启动激光光源，光电探测器探测激光光源的第一束激光输出信号，由示波器读取；示波器在读取到信号的时刻输出触发信号至时延控制器；时延控制器设置示波器输出信号与新的触发信号的时延并将新的触发信号传至电光转换模块，光信号通过光纤传给光电转换模块后，将最终的电信号传给冲击电压发生器；
步骤3、冲击电压发生器收到电信号后触发放电，控制系统的时延设置使得激光系统的第二束信号能够与冲击电压发生器加载在棒电极的电压脉冲时间重合，使放电沿激光路径发展。
本实施例中激光光源为基于掺钛蓝宝石增益介质与啁啾脉冲放大技术产生重复频率10Hz、波长800nm、mJ级能量、fs或ps级脉宽超短脉冲激光。
引导光路包括多个反射镜和一个凸透镜，激光光源发出的激光经过多个反射镜后进入凸透镜，由凸透镜射出入射放电模块。凸透镜的几何焦距为10m。
放电模块包括冲击电压发生器、棒电极，冲击电压发生器能够产生峰值1.6MV以上的负极性操作冲击电压，棒电极的棒-板间隙距离大于等于2m，棒电极端部曲率半径10mm，棒电极接高压，板电极接地。
本实施例中，光电探测器探测激光光源的输出信号，由示波器读取；示波器设置上升沿触发，在读取到信号的时刻输出触发信号至DG535时延控制器；DG535时延控制器设置示波器输出信号与新的触发信号的时延并将新的触发信号传至电光转换模块，光信号通过光纤传给光电转换模块后，将最终的电信号传给冲击电压发生器；DG535时延控制器设置时延δt＝1ms-td-tf，td指冲击电压发生器一级球隙触发到操作冲击电压波形加载至棒电极的时间，tf指冲击电压波形的上升沿时间；电光转换模块用于将TTL信号转化为光信号，光电转换模块用于将光信号转化为10kV脉冲信号并触发冲击电压发生器一级球隙。打开激光光源，使激光按10Hz重频输出，输出的第一束激光信号经光电探测器检测后经过控制系统成为冲击电压发生器一级球隙的触发脉冲，控制系统的时延设置使得激光系统的第二束信号能够与冲击电压发生器加载在棒电极的电压脉冲时间重合，从而产生激光诱导放电，引导光路保证的激光系统与放电模块的空间配合则使得产生的激光诱导放电为沿激光路径的长距离高压放电。
本实施例中引导光路的激光射出端与放电模块的棒电极端部的距离可实现由棒电极端部起始的最长距离放电，即上述距离计算公式给出了最优的激光系统与放电模块的空间配合；DG535时延控制器设置时延δt＝1ms-td-tf，给出了激光系统与放电模块最优的时间配合；在最优的双系统空间配合与时间配合条件下，能够使激光诱导放电概率(激光引起放电触发并使放电沿激光路径发展)达到99％以上且激光诱导放电路径达到米级，对激光引导长距离高压放电、激光引雷、激光远程探测等技术发展具有重要意义。
本实施例中，根据激光光源位置和棒电极位置来确定引导光路中反射镜的组合关系、位置关系以及凸透镜的几何焦距，以满足最优的激光光源与放电模块的空间配合，也就是凸透镜的出射端与棒电极之间的距离。上述的空间距离与时延应满足：当激光光源输出的第一束激光信号经光电探测器检测后经过控制系统成为冲击电压发生器一级球隙的触发脉冲，控制系统的时延设置使得激光系统的第二束信号能够与冲击电压发生器加载在棒电极的电压脉冲时间重合，从而产生激光诱导放电，引导光路保证的激光系统与放电模块的空间配合则使得产生的激光诱导放电为沿激光路径的长距离高压放电。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.用于产生长距离可控高压放电激光诱导放电系统，其特征在于，包括激光系统、引导光路、放电模块和控制系统；所述激光系统的激光光源为高功率超短脉冲激光光源；
所述控制系统接受激光系统的激光信号，根据激光信号启动放电模块；所述控制系统还设置触发时延，
所述引导光路包括多个反射镜和一个凸透镜；激光经多个反射镜后到达凸透镜，经过凸透镜到达放电模块；所述凸透镜与放电模块的棒电极端部的距离通过以下公式计算：
Figure FDA0003336607040000011
Figure FDA0003336607040000012
k指波数，a0指光斑半径，P指激光峰值功率，Pc指激光产生电离成丝的临界功率，f为凸透镜的焦距，zf为激光入射空隙自聚焦效应；
所述时延δt＝1ms-td-tf，td指所述放电模块中冲击电压发生器一级球隙触发到操作冲击电压波形加载至棒电极的时间，tf指冲击电压波形的上升沿时间。
2.根据权利要求1所述的用于产生长距离可控高压放电激光诱导放电系统，其特征在于，所述激光光源为基于掺钛蓝宝石增益介质与啁啾脉冲放大技术产生重复频率10Hz、波长800nm、mJ级能量、fs或ps级脉宽超短脉冲激光。
3.根据权利要求1或2所述的用于产生长距离可控高压放电激光诱导放电系统，其特征在于，所述凸透镜的几何焦距为10m。
4.根据权利要求1或2所述的用于产生长距离可控高压放电激光诱导放电系统，其特征在于，所述放电模块包括冲击电压发生器、棒电极，所述冲击电压发生器能够产生峰值1.6MV以上的负极性操作冲击电压，棒电极的棒-板间隙距离大于等于2m，棒电极端部曲率半径10mm，棒电极接高压，板电极接地。
5.根据权利要求1或2所述的用于产生长距离可控高压放电激光诱导放电系统，其特征在于，所述控制系统包括光电探测器、示波器、时延控制器、电光-光电转换模块，所述光电探测器与示波器连接，所述示波器与时延控制器连接，所述时延控制器与电光-光电转换模块连接，所述电光-光电转换模块与放电模块连接。
6.用于产生长距离可控高压放电激光诱导放电方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、搭建放电系统，放电系统包括激光光源、引导光路、放电模块和控制系统；所述激光系统的激光光源为高功率超短脉冲激光光源；所述控制系统接受激光系统的激光信号，根据激光信号启动放电模块；所述控制系统还设置触发时延；
所述引导光路包括多个反射镜和一个凸透镜；激光经多个反射镜后到达凸透镜，经过凸透镜到达放电模块；所述凸透镜与放电模块的棒电极端部的距离通过以下公式计算：
Figure FDA0003336607040000021
Figure FDA0003336607040000022
k指波数，a0指光斑半径，P指激光峰值功率，Pc指激光产生电离成丝的临界功率，f为凸透镜的焦距，zf为激光入射空隙自聚焦效应；
所述时延δt＝1ms-td-tf，td指所述放电模块中冲击电压发生器一级球隙触发到操作冲击电压波形加载至棒电极的时间，tf指冲击电压波形的上升沿时间；
步骤2、启动激光光源，控制系统探测激光光源的第一束激光输出信号，形成触发信号，将触发信号传输给冲击电压发生器；
步骤3、冲击电压发生器收到电信号后触发放电，控制系统的时延设置使得激光系统的第二束信号能够与冲击电压发生器加载在棒电极的电压脉冲时间重合，使放电沿激光路径发展。
7.根据权利要求6所述的用于产生长距离可控高压放电激光诱导放电方法，其特征在于，所述激光光源为基于掺钛蓝宝石增益介质与啁啾脉冲放大技术产生重复频率10Hz、波长800nm、mJ级能量、fs或ps级脉宽超短脉冲激光。
8.根据权利要求6或7所述的用于产生长距离可控高压放电激光诱导放电方法，其特征在于，所述凸透镜的几何焦距为10m。
9.根据权利要求6或7所述的用于产生长距离可控高压放电激光诱导放电方法，其特征在于，所述放电模块包括冲击电压发生器、棒电极，所述冲击电压发生器能够产生峰值1.6MV以上的负极性操作冲击电压，棒电极的棒-板间隙距离大于等于2m，棒电极端部曲率半径10mm，棒电极接高压，板电极接地。
10.根据权利要求6或7所述的用于产生长距离可控高压放电激光诱导放电系统，其特征在于，所述控制系统包括光电探测器、示波器、时延控制器、电光-光电转换模块，所述光电探测器与示波器连接，所述示波器与时延控制器连接，所述时延控制器与电光-光电转换模块连接，所述电光-光电转换模块与放电模块连接。
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