CN1434671A - 一种激光引雷装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及激光与大气相互作用，在大气中的传播及大气物理领域。通过激光器输出超短脉冲，经延时系统和聚焦系统，利用超强激光在大气中的非线性效应，可在大气中形成很长的、具有良好导电性的电离通道，将云层中的电荷引向地面或在云层之间形成电离通道，引导正负电荷发生中和，以避免因雷电引起的灾害和损失。本发明简单灵活，机动，发射方便，为现代避雷技术提供了一种新的方法。
Description
本发明涉及激光与大气相互作用、激光在大气中的传播以及大气物理技术领域。
闪电是自然界的一种放电现象。它一般发生于强对流云中，云的物理和动力过程学相互作用导致云内正负极性电荷大量地分区集聚。发生闪电时，这些正负电荷中和，在云层和大地之间或云层和云层之间形成狭窄的放电通道，闪电的巨大电流和电磁辐射常常给电子仪器和电力设施造成巨大损坏，给社会经济带来巨大的损失(文献1，杨辉，张杰，物理30，18，2001)。
预防闪电的常规方法是使用避雷针。这种方法是在需要保护的对象上安装避雷针；或在重要设施上安装防雷设施，将放电电流引向地面，以防闪电直接攻击建筑物。这些措施在一定程度上可以减小雷电带来的灾害。但存在着被动的、不灵活，特别是在不易安装避雷设施的地方显得无能为力等缺点，因此，发展一种主动的引雷方法是必要的。
所谓主动引雷，就是在雷电形成之前采取措施，避免雷害(文献2，王才伟，刘欣生等，高原气象17，65，1998)。其关键是要在空气中产生放电通道。自然闪电中通道的形成靠梯级先导放电逐步形成。目前的人工引导是利用火箭拖引导线飞向云层而引导云层电荷放电到预定的安全地点。该方法非常直观，目的就是利用导线在云层和大地之间形成一个放电通道，引导云层电荷沿通道运动而将其引向安全地点，从而保护重要的设施免遭雷击。但利用火箭引雷方法不够灵活，受各种地形的限制，特别是它无法处于连续工作状态。
本发明的目的在于提出一种全新的引雷方法。利用超短超强脉冲激光在大气中传播时，会电离气体而形成一条很长的电离通道，从而使放电被限制在该通道中形成和发展，最后使闪电沿安全的路径放电而保护各种设施。该方法既保持了传统的引雷特点，又具有无污染、安全灵活、不受地点限制、可以连续工作等优点，特别适用于不适合利用火箭、飞机引雷的城市里。
本发明的目的是这样实现的：
超强超短激光技术的利用可以提供TW级的激光装置，利用该装置可以产生长度大于5米的等离子体通道，且该通道具有良好的电导率，其电阻率小于0.5欧姆厘米。这些实验装置和实验结果为利用激光引雷提供了技术支持。工作原理如下：
电离通道产生机制：利用超短超强脉冲在大气中传播时，由于自聚焦效应，激光脉冲的强度增加，当达到一定强度时，可以使空气发生电离，而等离子体又具有散焦效应，于是，当散焦和聚焦达到平衡时，即可在空气中形成一个很长的等离子体。
超短超强激光脉冲的产生：利用啁啾脉冲放大技术获得。
延长等离子体通道的寿命：在主激光脉冲后面，发射一个辅助脉冲以保持通道的延续性。
实验监测：利用已有人工引雷装置，监测大气云层的电场，选择合适的触发时机，来提高触发闪电的效率。
本发明的结构(见图1)由激光系统1，分束延时系统或另一激光系统2，光阑3，准直系统4，聚焦系统5，反射系统6，引导塔7和监测系统8组成。其中：
激光系统1是超短超强激光系统。典型系统为飞秒钛宝石激光系统，中心波长为800nm。在满足光束质量和强度的条件下，原则上对激光输出的能量和脉冲的宽度，及激光的型号和类型不做要求。激光系统可以是固定的或是机动的(如车载)。
分束延时系统2由一块分光镜和三块全反镜组成(见图2)。该系统可以提高电离通道的存在时间，从而提高触发闪电的几率。分光镜可以根据不同的激光能量和种类，调整分光比例。全反镜根据不同的激光种类镀不同的膜层。若电离通道存在的时间足以触发闪电时，可以省去该系统。延时时间(即副脉冲走过的延时距离)可以根据情况调节以达到最佳效果。该系统可以由另一长脉冲激光系统II来代替，延时时间另行控制。
光阑3用来提高光束的质量。若质量满足通讯要求，可以省掉。
准直系统4用来扩束和改善光束的质量。典型结构为由一个凹透镜和一个凸透镜组成的望远系统。只要满足激光通讯的要求，不对扩束比例特别要求。若满足引导闪电的条件，可以省去。
聚焦系统5主要用来辅助激光在大气中形成通道和改变通道形成的长度。典型结构为一凸透镜。该系统可以用反射式的聚焦系统或变焦系统来代替。若满足通讯要求，可以省去该系统。
反射系统6用于改变光线的传播方向。典型为一宽带0-45度全反镜。
引导塔7用于引导闪电沿塔流向地面。典型为一铁塔。该塔可以是任何满足引导闪电条件导体。若只引导云层之间的闪电，可以省略引导塔。
监测系统8主要由监测电磁场和电流信号的电子设备构成。
本发明的装置及工作过程如下(仍以图1为例说明)：
蓝宝石飞秒固体激光器1射出的飞秒激光脉冲(图1中的箭头方向为前进方向)，经过分束延时系统2分为主脉冲和副脉冲(见图2)，副脉冲的能量比值由分束延时系统中的分光镜来确定，副脉冲比主脉冲要延时几个纳秒到几十个纳秒，具体值可以通过调节延时系统中的分光镜与全反镜间的距离来定；光束再经过一个光阑3；随后经过一个准直系统4，通过不同的扩束比例(典型的为调节凹、凸镜的间距)来改变光束直径的大小，从而改变形成电离通道直径的大小和通道的长度；此时光束再通过一个聚焦系统5，通过调节聚焦系统的焦距，来改变通道的定位和长短；再经过一个0-45度的全反镜6将光束斜向上反射出去；在反射光的方向上安置一个引导塔7，该引导塔和地面有良好的导电性，激光和引导塔之间接触良好以保证很好的导电性，使引导的雷电电流能沿着引导塔流向地面；整个引导闪电的触发时机由监测系统8来控制，监测系统通过监测云层电磁场的变化来决定激光的触发时机。
本发明继承传统引雷的特点，但用电离通道代替了导线；可以以车载的方式，机动、灵活，改变激光频率可以连续工作；无环境污染，对人类活动没有影响，可在大城市和人口密集的地区作业；本发明可在雷雨天为各种航空飞行器提供保证，具有很重要的军事价值。
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明：
图1是激光引雷装置示意图；
图2是分束延时系统。
实施例1：
如图1所示的激光天线由蓝宝石飞秒固体激光器1、分束延时系统2、光阑3、扩束系统4、聚焦系统5、全反镜6、引导塔7及监测系统8组成。
由蓝宝石飞秒固体激光器1射出的飞秒激光脉冲(图1中的箭头方向为前进方向)，经分束延时系统2，分为主脉冲和副脉冲，副脉冲比主脉冲要延时几个纳秒到几十个纳秒，具体值可以通过调节延时距离来变化；光束再经过一个光阑3；随后经过扩束系统4，通过改变光束的直径的大小，来改变形成电离通道直径的大小和通道长度的大小；此时光束通过一个聚焦系统5，通过调节聚焦系统的焦距，来改变通道的定位和长短；再经过一个0-45度的全反镜6将光束斜向上发射出去；在向上的方向上经过一个引导塔7，该引导塔和地面有良好的导电性，激光和引导塔之间也具有很好导电性，以保证引导的雷电电流能沿着导电塔流向地面；引导闪电的触发时机由监测系统8来决定，监测系统可以监测云层的电磁场的变化，由此来决定激光的触发时机。
所用的蓝宝石激光器为掺钛蓝宝石(Ti：Sapphire)固体激光器，输出中心波长800nm，重复频率可调，
。所用的分束延时系统为
到
，对应于延时的距离为
到
。所用的扩束系统为
，入射光光斑直径为
，出射的为
聚焦系统的焦距大于
实施例2：
按图1所示的激光引雷示意图，省去分光延时系统，加上长脉冲激光系统，脉冲值为纳秒，其它同实施例1。
实施例3：
按图1所示，省去光阑和准直系统，其它同实施例1。
实施例4：
按图1所示，将投射式聚焦系统(如透镜)改为反射式聚焦系统(如凹面全反镜)，其它同实施例1。
实施例5：
按图1所示，将投射式聚焦(如透镜)改为可调焦聚焦系统，其它同实施例1。
实施例6：
按图1所示，省去分束延时系统、光阑及准直系统，其它同实施例1。
实施例7：
按图1所示，但掉转反射系统6和聚焦系统5的位置，其他同
实施例1。
实施例8：
按图1所示，省去聚焦系统(5)及引导塔(7)，其它同实施例1。
Claims (11)
1.一种激光引雷装置，其特征在于：由激光系统(1)、分束延时系统(2)、光阑(3)、准直系统(4)、聚焦系统(5)、反射系统(6)、引导塔(7)和监测系统(8)组成；其装置及工作过程如下：
激光系统(1)射出的飞秒激光脉冲经过分束延时系统(2)分为主脉冲和副脉冲，然后光束再经过光阑(3)达到准直系统(4)，而后再通过聚焦系统(5)及反射系统(6)将光束反射出去，在反射光的方向上安置引导塔(7)，整个引导闪电的触发时机由监测系统8来控制；
所述的激光系统(1)是超短超强激光系统，分束延时系统(2)由一块分光镜和三块全反镜组成，聚焦系统(5)为一投射式聚焦系统，反射系统(6)为一宽带0-45度全反镜。
2.按权利要求1所述的激光引雷装置，其特征在于：省去分束延时系统。
3.按权利要求1所述的激光引雷装置，其特征在于：由一个长脉冲激光系统II来代替分束延时系统。
4.按权利要求1所述的激光引雷装置，其特征在于：省掉光阑(3)。
5.按权利要求1所述的激光引雷装置，其特征在于：其中准直系统(4)为由一个凹透镜和一个凸透镜组成的望远系统。
6.按权利要求1所述的激光引雷装置，其特征在于：省去准直系统(4)。
7.按权利要求1所述的激光引雷装置，其特征在于：用反射式聚焦系统代替投射式聚焦系统(5)。
8.按权利要求1所述的激光引雷装置，其特征在于：用可调焦聚焦系统来代替投射式聚焦系统(5)。
9.按权利要求1所述的激光引雷装置，其特征在于：省去投射式聚焦系统(5)。
10.按权利要求1所述的激光引雷装置，其特征在于：省略引导塔(7)。
11.按权利要求1所述的激光引雷装置，其特征在于：掉转反射系统(6)和聚焦系统(5)的位置。
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