JP2006331748A - Discharge induction method and discharge induction device using hybrid laser - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To further improve a discharge induction property when guiding a discharge from an electrode to a conductor by utilizing a laser beam. <P>SOLUTION: When guiding a discharge from thunder cloud (an electrode) 2 to a lightning rod (a conductor) 3 by utilizing a laser beam L, an ultra-short pulse laser beam L is irradiated toward tip part of the lightning rod 3. A leader extending from the lightning rod 3 toward the thunder cloud 2 is induced by using a high density plasma generated by condensing the ultra-short pulse laser beam L with short focus, and the other ultra-short pulse laser beam L is irradiated toward the thunder cloud 2. The leader is guided in long distance by using filaments generated by condensing the ultra-short pulse laser beam L with long focus. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、ハイブリッドレーザーを利用した放電誘導方法および装置に関する。さらに詳述すると、本発明は、レーザー光で空気中に生成したプラズマチャネルにより雷を避雷針へと誘導するいわゆるレーザー誘雷、あるいはレーザーギャップスイッチを実施するのに好適な放電誘導技術の改良に関する。   The present invention relates to a discharge induction method and apparatus using a hybrid laser. More specifically, the present invention relates to an improvement in a discharge induction technique suitable for implementing a so-called laser lightning or laser gap switch that guides lightning to a lightning rod by a plasma channel generated in the air by laser light.

従来、レーザーによる放電誘導方法および放電誘導装置が提案されている(例えば、特許文献1参照)。さらに、雷を安全な場所に誘導する手法として、レーザーを用いて特定の避雷針に誘導するという技術が提案されている。この方法は、レーザーを用いてプラズマチャネルを生成し、雷雲が接近した時に避雷針先端から上向きリーダー(前駆放電)を生じさせ、目的とする避雷針へと雷を安全に誘導するというものである(特許文献2参照)。このような誘雷を実施するために用いるレーザーとして、CO2レーザー、エキシマレーザー、ガラスレーザー等が提案されており、基礎実験が行われているが、連続なプラズマチャネルができない、長尺のプラズマチャネルができない等の問題がある。 Conventionally, a laser discharge induction method and a discharge induction device have been proposed (see, for example, Patent Document 1). Furthermore, as a technique for guiding lightning to a safe place, a technique of guiding to a specific lightning rod using a laser has been proposed. This method uses a laser to generate a plasma channel and, when a thundercloud approaches, creates an upward leader (precursor discharge) from the tip of the lightning rod, and safely guides the lightning to the target lightning rod (patent) Reference 2). CO 2 lasers, excimer lasers, glass lasers, etc. have been proposed as lasers used to implement such lightning strikes, and basic experiments have been carried out, but long plasmas that do not allow continuous plasma channels There are problems such as channel failure.

一方、連続でかつ長尺なプラズマチャンネルを生成することが可能なレーザーとして超短パルスレーザーがある。超短パルスレーザーとはパルス幅がピコ秒以下のパルスレーザーのことであり、パルス幅を小さくすることにより、1パルス当りのエネルギが小さくても瞬間的に高出力のレーザー光を発生することができる。例えば、パルス幅が50フェムト秒のレーザーの場合、1パルス当りのエネルギが50mJであれば、瞬間的な出力は1テラワットとなる。このような超短パルスレーザーをレーザー誘雷に用いる方法としては、次の二つが提案されている。一つはレーザー光を短焦点で集光して生成する集光プラズマを利用する方法である。この方法では、電極間中央にレーザー光を集光して放電誘導を行った結果が報告されている。もう一つの方法は、長焦点で集光もしくは平行に照射して生成するフィラメントを利用する方法である。フィラメントとは集光したまま長距離伝播する光のことであり、超短パルスレーザーを用いることにより、数百m〜数kmに渡りフィラメントを生成したとの報告もある。さらには、電極間全体にフィラメントを生成し、フィラメント中に生じるプラズマチャネルを用いて電極間長3.8mの放電誘導を行った例も報告されている。   On the other hand, there is an ultrashort pulse laser as a laser capable of generating a continuous and long plasma channel. An ultrashort pulse laser is a pulse laser with a pulse width of picoseconds or less. By reducing the pulse width, high-power laser light can be generated instantaneously even if the energy per pulse is small. it can. For example, in the case of a laser with a pulse width of 50 femtoseconds, if the energy per pulse is 50 mJ, the instantaneous output is 1 terawatt. The following two methods have been proposed for using such an ultrashort pulse laser for laser induced lightning. One is a method using a focused plasma generated by focusing a laser beam with a short focus. In this method, the result of conducting discharge induction by condensing laser light at the center between electrodes has been reported. Another method is a method using a filament generated by condensing or irradiating in parallel with a long focal point. A filament is a light that propagates for a long distance while being condensed, and there is a report that a filament is generated over several hundreds of meters to several kilometers by using an ultrashort pulse laser. Furthermore, there has been reported an example in which a filament is generated between the electrodes, and discharge induction with a length of 3.8 m between the electrodes is performed using a plasma channel generated in the filament.

特開平7−142190号公報JP-A-7-142190 特開平8−064385号公報JP-A-8-064385

しかしながら、超短パルスレーザー光を短焦点で集光した際に生成するプラズマチャネルは太くて高密度ではあるものの、長さは数mと短いため放電を長距離に渡ってガイドするのは困難だという点がある。その一方で、超短パルスレーザー光を長焦点で集光もしくは平行に照射することにより生じるフィラメントは数百m以上に渡って生成が可能であるが、太さは1mm以下と短くプラズマ密度も比較的小さいため、放電のトリガーとなる(リーダーを生成する)ことが困難である。特に自然誘雷は通常直流的な振舞いをし、雷雲は負極性に帯電している。したがって、雷を誘導すべき避雷針は直流正極性である。通常、直流正極性の電極からリーダーを生じさせるのは困難であり、このような直流正極性の避雷針からフィラメントを用いて上向きリーダーを生じさせるのは難しいことだと考えられる。   However, although the plasma channel generated when condensing ultrashort pulse laser light with a short focus is thick and dense, it is difficult to guide the discharge over a long distance because the length is as short as several meters. There is a point. On the other hand, filaments generated by condensing or irradiating ultrashort pulse laser light with a long focal point can be generated over several hundred meters, but the thickness is as short as 1 mm or less, and the plasma density is also compared. Therefore, it is difficult to trigger discharge (generate a leader). In particular, naturally induced lightning usually behaves like a direct current, and thunderclouds are negatively charged. Therefore, the lightning rod that should induce lightning is DC positive polarity. Usually, it is difficult to generate a leader from a DC positive electrode, and it is considered difficult to generate an upward leader using a filament from such a DC positive lightning rod.

そこで本発明は、電極からの放電をレーザー光を利用して導電体へと誘導する場合に放電誘導の性能をさらに向上させることが可能な放電誘導方法および装置を提供することを目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide a discharge induction method and apparatus capable of further improving the performance of discharge induction when a discharge from an electrode is induced to a conductor using laser light.

かかる目的を達成するため、本発明者は種々の検討を繰り返し、その結果としてある知見を得た。すなわち、超短パルスレーザーを短焦点で集光することにより生じる集光プラズマと、長焦点で集光するかあるいは平行に照射することにより生じるフィラメントを組み合わせ、レーザー誘雷やレーザーギャップスイッチ等の性能を向上させるというものである。別の表現をすれば、フィラメントとリーダーとを混成していわば「ハイブリッドレーザー」を形成して放電誘導し、これによって放電誘導の特性を向上させるという新規な技術について想到するに至ったものである。   In order to achieve this object, the present inventor has repeatedly conducted various studies and has obtained certain findings as a result. In other words, a combination of a condensing plasma generated by condensing an ultrashort pulse laser with a short focal point and a filament generated by converging with a long focal point or irradiating in parallel, the performance of laser induced lightning, laser gap switch, etc. Is to improve. To put it another way, we have come up with a new technology that, when hybridized with a filament and a leader, forms a “hybrid laser” to induce discharge, thereby improving the characteristics of discharge induction. .

本発明はこのような知見に基づくもので、まず請求項1に記載の発明は、電極からの放電をレーザー光を利用して導電体へと誘導するためのレーザーを利用した放電誘導方法において、超短パルスレーザー光を導電体の先端に向けて照射し、当該超短パルスレーザー光を短焦点で集光することにより生成する高密度プラズマを用いて導電体から電極へ向けて延びるリーダーを誘起するとともに、他の超短パルスレーザー光を電極に向けて照射し、当該他の超短パルスレーザー光を長焦点で集光することにより生成するフィラメントを用いてリーダーを長距離誘導するというものである。   The present invention is based on such knowledge. First, the invention described in claim 1 is a discharge induction method using a laser for inducing a discharge from an electrode to a conductor using a laser beam. A leader that extends from the conductor to the electrode is induced using high-density plasma generated by irradiating the ultrashort pulse laser light toward the tip of the conductor and condensing the ultrashort pulse laser light at a short focal point. In addition, the other ultrashort pulse laser beam is irradiated toward the electrode, and the reader is guided over a long distance using a filament generated by condensing the other ultrashort pulse laser beam with a long focal point. is there.

このハイブリッドレーザーを利用した放電誘導方法は、超短パルスレーザー光を短焦点で集光することにより生じる集光プラズマと、長焦点で集光もしくは平行に照射することにより生じるフィラメントとを組み合わせてレーザー誘雷やレーザーギャップスイッチ等の性能を向上させる。すなわち、集光プラズマとフィラメントを同時に導電体(例えば避雷針)の先端に照射し、放電のトリガーとなる集光プラズマによりリーダーを生じさせ、その生じたリーダーをフィラメントにより長距離ガイドするという方法である。この方法を用いれば、導電体先端から生じるリーダーを数十m以上ガイドすることが可能であるため、レーザー誘雷の性能が格段に向上する。   The discharge induction method using this hybrid laser is a laser combining a condensing plasma generated by condensing ultrashort pulse laser light with a short focus and a filament generated by condensing with a long focus or irradiating in parallel. Improve the performance of lightning and laser gap switches. That is, a method in which a focused plasma and a filament are simultaneously irradiated onto the tip of a conductor (for example, a lightning rod), a leader is generated by the focused plasma that triggers discharge, and the generated leader is guided for a long distance by the filament. . If this method is used, it is possible to guide the leader generated from the tip of the conductor to several tens of meters or more, so that the laser lightning performance is significantly improved.

なお、ここでのフィラメントは、超短パルスレーザー光を長焦点で集光した場合、あるいは超短パルスレーザー光を平行に照射した場合のいずれにおいても生成し得るものである。別の言い方をすれば、焦点距離を∞(無限大)とした場合にも本発明におけるフィラメントを生成することができるから、本発明における長焦点は広義には焦点距離∞(無限大)を含む概念だということができる。   Here, the filament can be generated either when the ultrashort pulse laser beam is condensed with a long focal point or when the ultrashort pulse laser beam is irradiated in parallel. In other words, since the filament in the present invention can be generated even when the focal length is ∞ (infinity), the long focus in the present invention includes the focal length ∞ (infinity) in a broad sense. It can be said that it is a concept.

また、上記のごとく放電誘導を実施するにあたっては、請求項2のように、超短パルスレーザー光を集光する反射ミラーとして部分的に焦点距離を異ならせる多重焦点反射ミラーを用いることにより、超短パルスレーザー光の一部を短焦点で集光するとともに残りを長焦点で集光することが好ましい。あるいは、請求項3のように、超短パルスレーザー光を集光する反射ミラーとして焦点距離の短いミラーと焦点距離の長いミラーとを別々に用い、超短パルスレーザー光の一部を一方の反射ミラーにて短焦点で集光するとともに残りを他方の反射ミラーにて長焦点で集光することも好ましい。いずれの場合においても、短焦点で集光する超短パルスレーザー光とこれとは別に長焦点で集光する超短パルスレーザー光という2種類の態様で超短パルスレーザー光が照射される。こうした場合、短焦点で集光する超短パルスレーザー光によって集光プラズマが生じ、長焦点で集光(反射)する超短パルスレーザー光によってフィラメントが生じることになる。   Further, in performing the discharge induction as described above, as described in claim 2, by using a multifocal reflection mirror that partially varies the focal length as a reflection mirror that condenses the ultrashort pulse laser beam, It is preferable to condense a part of the short pulse laser beam with a short focal point and the remaining part with a long focal point. Alternatively, as described in claim 3, a mirror having a short focal length and a mirror having a long focal length are separately used as reflecting mirrors for collecting the ultrashort pulse laser light, and a part of the ultrashort pulse laser light is reflected on one side. It is also preferable to collect light with a short focal point using a mirror and to collect the remaining light with a long focal point using the other reflecting mirror. In any case, the ultrashort pulse laser beam is irradiated in two types of modes, that is, an ultrashort pulse laser beam focused at a short focus and an ultrashort pulse laser beam focused at a long focus. In such a case, a condensed plasma is generated by the ultrashort pulse laser beam condensed at a short focal point, and a filament is generated by the ultrashort pulse laser beam condensed (reflected) at a long focal point.

さらに、上記の請求項2または3のごとく放電誘導を実施する場合の反射ミラーは請求項4のように局部的な凸部または凹部を有するものであり、この反射ミラーを用いてフィラメントを生成しかつ制御することが好ましい。局部的な凸部または凹部を有する反射ミラーに照射された超短パルスレーザービームは、反射の際にミラー表面の局部的な凸部または凹部に応じた局所的な空間変調がビームの波面に与えられ、これが起点(種)となってフィラメントをビーム伝播の過程で形成する。このフィラメントは、反射ミラーの表面の局部的な凸部または凹部の存在により安定して生成されることから、局部的な凸部または凹部を任意の位置に形成することで、ビーム断面の任意の位置に一意的に連続して形成される。   Further, the reflection mirror in the case of carrying out the discharge induction as described in claim 2 or 3 has a local convex part or concave part as in claim 4, and a filament is generated using this reflective mirror. And it is preferable to control. The ultrashort pulse laser beam applied to the reflecting mirror having a local convex or concave part gives local spatial modulation to the beam wavefront according to the local convex or concave part of the mirror surface during reflection. This becomes a starting point (seed) and forms a filament in the course of beam propagation. Since this filament is stably generated due to the presence of local convex portions or concave portions on the surface of the reflecting mirror, by forming the local convex portions or concave portions at arbitrary positions, any arbitrary beam cross section can be formed. Formed uniquely continuously at the position.

あるいは、請求項5のように、反射ミラーは、局部的な凸部または凹部に比して大域的である大域的凹部を当該局部的な凸部または凹部の周りに備えているものであり、この反射ミラーを用いてフィラメントを生成しかつ制御することも好ましい。局部的凸部または凹部により反射したビーム断面の任意の位置に形成された強度斑の周りに、大域的な凹部により反射した超短パルスレーザー光のエネルギあるいは周辺の強度斑を集合させることができる。   Alternatively, as in claim 5, the reflecting mirror is provided with a global concave portion around the local convex portion or concave portion, which is global compared to the local convex portion or concave portion, It is also preferred to generate and control the filament using this reflective mirror. The energy of the ultrashort pulse laser beam reflected by the global concave portion or the peripheral intensity spot can be collected around the intensity spot formed at an arbitrary position of the beam cross section reflected by the local convex part or concave part. .

さらには、請求項6のように、反射ミラーとして、表面形状を変化させることができる表面形状可変反射ミラーを用いることも好ましい。表面形状を変化させることによっても局所的な凸部または凹部の分布を変化させることが可能となる。   Furthermore, it is also preferable to use a surface shape variable reflection mirror that can change the surface shape as the reflection mirror. It is also possible to change the local distribution of convex portions or concave portions by changing the surface shape.

請求項7に記載の発明も上述の知見に基づくもので、電極からの放電をレーザー光を利用して導電体へと誘導するためのレーザーを利用した放電誘導装置において、レーザー光として超短パルスレーザー光を用いこの超短パルスレーザー光を導電体の先端に向けて照射し、当該超短パルスレーザー光を短焦点で集光することにより生成する高密度プラズマを用いて導電体から電極へ向けて延びる上向きリーダーを誘起するとともに、他の超短パルスレーザー光を電極に向けて照射し、当該他の超短パルスレーザー光を長焦点で集光することにより生成するフィラメントを用いてリーダーを長距離誘導するレーザー発振器を備えることを特徴とするものである。   The invention according to claim 7 is also based on the above-mentioned knowledge, and in a discharge induction device using a laser for inducing discharge from an electrode to a conductor using laser light, an ultrashort pulse is used as laser light. A laser beam is used to irradiate the tip of the conductor with this ultrashort pulse laser beam, and the ultrashort pulse laser beam is focused at a short focal point and directed from the conductor to the electrode using high-density plasma. In addition to inducing an upwardly extending reader, the other ultrashort pulse laser beam is irradiated toward the electrode, and the other ultrashort pulse laser beam is focused at a long focal length to produce a long reader. A laser oscillator for guiding the distance is provided.

このハイブリッドレーザーを利用した放電誘導装置は、超短パルスレーザー光を短焦点で集光することにより生じる集光プラズマと、長焦点で集光もしくは平行に照射することにより生じるフィラメントとを組み合わせてレーザー誘雷やレーザーギャップスイッチ等の性能を向上させる。すなわち、集光プラズマとフィラメントを同時に導電体(例えば避雷針)の先端に照射し、放電のトリガーとなる集光プラズマにより上向きリーダーを生じさせ、その生じたリーダーをフィラメントにより長距離ガイドするというものである。これによれば、導電体先端から生じる上向きリーダーを数十m以上ガイドすることが可能であるため、レーザー誘雷の性能が格段に向上する。   This discharge induction device using a hybrid laser is a laser that combines a condensing plasma generated by condensing an ultrashort pulse laser beam with a short focal point and a filament generated by condensing or irradiating with a long focal point in parallel. Improve the performance of lightning and laser gap switches. In other words, the focused plasma and filament are simultaneously irradiated onto the tip of a conductor (for example, a lightning rod), an upward leader is generated by the focused plasma that triggers discharge, and the generated leader is guided over a long distance by the filament. is there. According to this, since it is possible to guide the upward leader generated from the conductor tip by several tens of meters or more, the performance of laser induced lightning is remarkably improved.

上記のハイブリッドレーザーを利用した放電誘導装置は、請求項8のように、レーザー光を反射して当該レーザー光の経路を変えるミラーであって部分的に焦点距離の異なる多重焦点型の反射ミラーを備え、レーザー発振器から照射される超短パルスレーザー光の一部を反射ミラーのうち焦点距離の短いミラー部分で反射・集光するとともに、超短パルスレーザー光の残りを反射ミラーのうち焦点距離の長いミラー部分で反射することが好ましい。あるいは、請求項9のように、レーザー光を反射して当該レーザー光の経路を変える短焦点の反射ミラーと長焦点の反射ミラーとを備え、レーザー発振器から照射される超短パルスレーザー光を短焦点の反射ミラーで反射・集光するとともに、他の超短パルスレーザー光を長焦点の反射ミラーで反射することも好ましい。いずれの場合においても、短焦点で集光する超短パルスレーザー光とこれとは別に長焦点で集光する超短パルスレーザー光という2種類の態様で超短パルスレーザー光が照射される。こうした場合、短焦点で集光する超短パルスレーザー光によって集光プラズマが生じ、長焦点で集光(反射)する超短パルスレーザー光によってフィラメントが生じることになる。   The discharge induction device using the above hybrid laser is a mirror that changes the path of the laser beam by reflecting the laser beam as in claim 8, and is a multifocal reflection mirror that partially differs in focal length. A part of the ultra-short pulse laser light emitted from the laser oscillator is reflected and collected by the mirror part with a short focal length of the reflection mirror, and the rest of the ultra-short pulse laser light is adjusted to the focal length of the reflection mirror. It is preferable to reflect on a long mirror part. Alternatively, as described in claim 9, a short-focus reflection mirror that reflects the laser beam and changes the path of the laser beam and a long-focus reflection mirror are provided, and the ultrashort pulse laser beam emitted from the laser oscillator is shortened. It is also preferable to reflect and condense with a focal reflecting mirror and to reflect other ultrashort pulse laser light with a long focal reflecting mirror. In any case, the ultrashort pulse laser beam is irradiated in two types of modes, that is, an ultrashort pulse laser beam focused at a short focus and an ultrashort pulse laser beam focused at a long focus. In such a case, a condensed plasma is generated by the ultrashort pulse laser beam condensed at a short focal point, and a filament is generated by the ultrashort pulse laser beam condensed (reflected) at a long focal point.

請求項8と請求項9のいずれの場合においても、短焦点で集光する超短パルスレーザー光とこれとは別に長焦点で集光する超短パルスレーザー光という2種類の態様で超短パルスレーザー光が照射される。こうした場合、短焦点で集光する超短パルスレーザー光によって集光プラズマが生じ、長焦点で集光(反射)する超短パルスレーザー光によってフィラメントが生じることになる。   In either of the cases of claim 8 and claim 9, the ultrashort pulse laser light is collected in two modes: an ultrashort pulse laser beam focused at a short focus and an ultrashort pulse laser beam focused at a long focus separately. Laser light is irradiated. In such a case, a condensed plasma is generated by the ultrashort pulse laser beam condensed at a short focal point, and a filament is generated by the ultrashort pulse laser beam condensed (reflected) at a long focal point.

さらに、上記の請求項8または9のごとく放電誘導を実施する場合の反射ミラーは請求項10のように局部的な凸部または凹部を有していて、この反射ミラーを用いることによってフィラメントを生成しかつ制御することが可能なものであることが好ましい。局部的な凸部または凹部を有する反射ミラーに照射された超短パルスレーザービームは、反射の際にミラー表面の局部的な凸部または凹部に応じた局所的な空間変調がビームの波面に与えられ、これが起点(種)となってフィラメントをビーム伝播の過程で形成する。このフィラメントは、反射ミラーの表面の局部的な凸部または凹部の存在により安定して生成されることから、局部的な凸部または凹部を任意の位置に形成することで、ビーム断面の任意の位置に一意的に連続して形成される。   Further, the reflection mirror in the case of performing discharge induction as described in claim 8 or 9 has a local convex part or concave part as in claim 10, and a filament is generated by using this reflective mirror. However, it is preferable that it can be controlled. The ultrashort pulse laser beam applied to the reflecting mirror having a local convex or concave part gives local spatial modulation to the beam wavefront according to the local convex or concave part of the mirror surface during reflection. This becomes a starting point (seed) and forms a filament in the course of beam propagation. Since this filament is stably generated due to the presence of local convex portions or concave portions on the surface of the reflecting mirror, by forming the local convex portions or concave portions at arbitrary positions, any arbitrary beam cross section can be formed. Formed uniquely continuously at the position.

あるいは、請求項11のように、反射ミラーは、局部的な凸部または凹部に比して大域的である大域的凹部を当該局部的な凸部または凹部の周りに備えていて、この反射ミラーを用いることによってフィラメントを生成しかつ制御することが可能なものであることも好ましい。局部的凸部または凹部により反射したビーム断面の任意の位置に形成された強度斑の周りに、大域的な凹部により反射した超短パルスレーザー光のエネルギあるいは周辺の強度斑を集合させることができる。   Alternatively, according to the eleventh aspect, the reflecting mirror includes a global concave portion that is more global than the local convex portion or concave portion around the local convex portion or concave portion. It is also preferred that the filaments can be produced and controlled by using. The energy of the ultrashort pulse laser beam reflected by the global concave portion or the peripheral intensity spot can be collected around the intensity spot formed at an arbitrary position of the beam cross section reflected by the local convex part or concave part. .

さらには、請求項12のように、反射ミラーは、その表面形状を変化させることができる表面形状可変反射ミラーであることも好ましい。表面形状を変化させることによっても局所的な凸部または凹部の分布を変化させることが可能となる。   Furthermore, as in claim 12, the reflecting mirror is preferably a surface shape variable reflecting mirror capable of changing its surface shape. It is also possible to change the local distribution of convex portions or concave portions by changing the surface shape.

請求項1のハイブリッドレーザーを利用した放電誘導方法によると、「ハイブリッドレーザー」によってフィラメントと集光プラズマの両方を同時に形成することにより、放電誘導の性能を格段に向上させることが可能となる。したがってこのハイブリッドレーザーを利用した放電誘導方法によれば、上記した第二の問題、つまり、超短パルスレーザー光を短焦点で集光した場合と長焦点で集光(もしくは平行照射)した場合にはそれぞれ一長一短があるという問題を容易に解決することができる。すなわち、短焦点で集光した超短パルスレーザー光が集光プラズマを生じさせ、これと同時に、長焦点で集光(もしくは平行照射)した超短パルスレーザー光がフィラメントを生じさせるから、導電体先端から生じるリーダーを数十m以上ガイドすることが可能となり、このような本発明によれば、放電誘導しやすい状況を形成してレーザー誘雷等の性能を格段に向上させることができる。   According to the discharge induction method using the hybrid laser according to the first aspect, it is possible to significantly improve the discharge induction performance by simultaneously forming both the filament and the focused plasma by the “hybrid laser”. Therefore, according to the discharge induction method using this hybrid laser, the above-mentioned second problem, that is, when the ultrashort pulse laser beam is condensed with a short focal point and when it is condensed with a long focal point (or parallel irradiation) Can easily solve the problem of each. That is, the ultrashort pulse laser beam focused at a short focal point generates a condensed plasma, and at the same time, the ultra short pulse laser beam focused at a long focal point (or parallel irradiation) generates a filament. It is possible to guide a leader generated from the tip of several tens of meters or more, and according to the present invention, it is possible to form a state in which discharge is easily induced and to greatly improve the performance of laser induced lightning and the like.

請求項2のハイブリッドレーザーを利用した放電誘導方法によると、短焦点で集光する超短パルスレーザー光とこれとは別に長焦点で集光(もしくは平行照射)する超短パルスレーザー光という2種類の態様で超短パルスレーザー光が照射されるから、短焦点で集光する超短パルスレーザー光によって集光プラズマを生じさせ、長焦点で集光(もしくは平行照射)する超短パルスレーザー光によってフィラメントを生じさせ、放電誘導しやすい状況を形成することができる。   According to the discharge induction method using the hybrid laser according to claim 2, there are two types of ultrashort pulse laser light that is focused with a short focus and ultrashort pulse laser light that is focused with a long focus (or parallel irradiation). In this mode, the ultrashort pulse laser light is irradiated. Therefore, the condensed plasma is generated by the ultrashort pulse laser beam focused at the short focus, and the ultrashort pulse laser beam focused at the long focus (or parallel irradiation) is used. A filament can be generated, and a situation where discharge is easily induced can be formed.

請求項3のハイブリッドレーザーを利用した放電誘導方法によると、短焦点ミラーと長焦点ミラーとを別々に用い、短焦点で集光する超短パルスレーザー光とこれとは別に長焦点で集光(もしくは平行照射)する超短パルスレーザー光という2種類の態様で超短パルスレーザー光が照射されるから、短焦点で集光する超短パルスレーザー光によって集光プラズマを生じさせ、長焦点で集光(もしくは平行照射)する超短パルスレーザー光によってフィラメントを生じさせ、放電誘導しやすい状況を形成することができる。   According to the discharge induction method using the hybrid laser of claim 3, the short focus mirror and the long focus mirror are separately used, and the ultrashort pulse laser beam focused at the short focus and separately focused at the long focus ( (Or, parallel irradiation) Since the ultrashort pulse laser beam is irradiated in two types of modes: ultrashort pulse laser beam, a focused plasma is generated by the ultrashort pulse laser beam focused at a short focal point and collected at a long focal point. A filament is generated by the ultrashort pulse laser beam that is irradiated with light (or parallel irradiation), and a situation in which discharge is easily induced can be formed.

請求項4のハイブリッドレーザーを利用した放電誘導方法によると、局部的な凸部または凹部を有する反射ミラーを用いてフィラメントを生成しかつ制御することから、このような局部的な凸部または凹部を任意の位置に形成することで、ビーム断面の任意の位置にフィラメントを一意的に連続して形成することができる。また、反射ミラーの表面に形成される局部的な凸部または凹部の位置を反射面の任意の位置に形成できるようにすれば、フィラメント生成の起点となる強度斑の位置を変えてフィラメントの数、長さおよび生成位置を制御することが可能となる。   According to the discharge induction method using the hybrid laser of claim 4, since the filament is generated and controlled using the reflection mirror having the local convex portion or concave portion, such a local convex portion or concave portion is formed. By forming at arbitrary positions, filaments can be uniquely and continuously formed at arbitrary positions in the beam cross section. In addition, if the position of the local convex part or concave part formed on the surface of the reflecting mirror can be formed at an arbitrary position on the reflecting surface, the number of filaments can be changed by changing the position of the intensity spot that is the starting point of filament generation It becomes possible to control the length and the generation position.

請求項5のハイブリッドレーザーを利用した放電誘導方法によると、局部的凸部または凹部により反射したビーム断面の任意の位置に形成された強度斑の周りに、大域的な凹部により反射した超短パルスレーザー光のエネルギあるいは周辺の強度斑を集合させて任意の位置の強度斑の電界強度をさらに強くすることができる。   According to the discharge induction method using the hybrid laser according to claim 5, an ultrashort pulse reflected by a global concave portion around an intensity spot formed at an arbitrary position of a beam cross section reflected by a local convex portion or concave portion. It is possible to increase the electric field strength of the intensity spots at arbitrary positions by gathering the energy of the laser light or surrounding intensity spots.

そして、請求項6のハイブリッドレーザーを利用した放電誘導方法によると、反射ミラーの表面形状を変化させることによって局所的な凸部または凹部の分布を変化させ、これによってフィラメント生成の起点となる強度斑の位置を変えて当該フィラメントの生成状況をさらに制御することが可能となる。   According to the discharge induction method using the hybrid laser according to claim 6, the distribution of the local convex portions or concave portions is changed by changing the surface shape of the reflecting mirror, and thereby the intensity unevenness that becomes the starting point of filament generation. It becomes possible to further control the production state of the filament by changing the position of the.

また、請求項7のハイブリッドレーザーを利用した放電誘導装置によると、「ハイブリッドレーザー」によってフィラメントとリーダーの両方を同時に生成することにより、放電誘導の性能を格段に向上させることが可能となる。したがってこのハイブリッドレーザーを利用した放電誘導装置によれば、上記した第二の問題、つまり、超短パルスレーザー光を短焦点で集光した場合と長焦点で集光(もしくは平行照射)した場合にはそれぞれ一長一短があるという問題を容易に解決することができる。すなわち、短焦点で集光した超短パルスレーザー光が集光プラズマを生じさせ、これと同時に、長焦点で集光(もしくは平行照射)した超短パルスレーザー光がフィラメントを生じさせるから、導電体先端から生じる上向きリーダーを数十m以上ガイドすることが可能となり、このような本発明によれば、放電誘導しやすい状況を形成してレーザー誘雷等の性能を格段に向上させることができる。   According to the discharge induction device using the hybrid laser of claim 7, it is possible to remarkably improve the discharge induction performance by simultaneously generating both the filament and the leader by the “hybrid laser”. Therefore, according to the discharge induction device using this hybrid laser, the second problem described above, that is, when the ultrashort pulse laser beam is condensed with a short focus and when it is condensed with a long focus (or parallel irradiation) Can easily solve the problem of each. That is, the ultrashort pulse laser beam focused at a short focal point generates a condensed plasma, and at the same time, the ultra short pulse laser beam focused at a long focal point (or parallel irradiation) generates a filament. It is possible to guide an upward leader generated from the tip of several tens of meters or more, and according to the present invention, it is possible to form a state in which discharge is easily induced and to greatly improve the performance of laser induced lightning and the like.

請求項8のハイブリッドレーザーを利用した放電誘導装置によると、短焦点で集光する超短パルスレーザー光とこれとは別に長焦点で集光(もしくは平行照射)する超短パルスレーザー光という2種類の態様で超短パルスレーザー光が照射されるから、短焦点で集光する超短パルスレーザー光によって集光プラズマを生じさせ、長焦点で集光(もしくは平行照射)する超短パルスレーザー光によってフィラメントを生じさせ、放電誘導しやすい状況を形成することができる。   According to the discharge induction device using the hybrid laser according to claim 8, there are two types of ultrashort pulse laser light focused at a short focal point and ultra short pulse laser light focused at a long focal point (or parallel irradiation). In this mode, the ultrashort pulse laser light is irradiated. Therefore, the condensed plasma is generated by the ultrashort pulse laser beam focused at the short focus, and the ultrashort pulse laser beam focused at the long focus (or parallel irradiation) is used. A filament can be generated, and a situation where discharge is easily induced can be formed.

さらに請求項9のハイブリッドレーザーを利用した放電誘導装置によると、短焦点ミラーと長焦点ミラーとを別々に用い、短焦点で集光する超短パルスレーザー光とこれとは別に長焦点で集光(もしくは平行照射)する超短パルスレーザー光という2種類の態様で超短パルスレーザー光が照射されるから、短焦点で集光する超短パルスレーザー光によって集光プラズマを生じさせ、長焦点で集光(もしくは平行照射)する超短パルスレーザー光によってフィラメントを生じさせ、放電誘導しやすい状況を形成することができる。   Furthermore, according to the discharge induction device using the hybrid laser according to claim 9, the short focus mirror and the long focus mirror are separately used, and the ultrashort pulse laser beam that focuses at the short focus and the long focus separately. Since the ultrashort pulse laser beam is irradiated in two types of modes (ultrashort pulse laser beam) (or parallel irradiation), a condensed plasma is generated by the ultrashort pulse laser beam focused at a short focal point, and at a long focal point. Filaments are generated by the ultrashort pulse laser beam that is focused (or parallel irradiated), and a situation in which discharge is easily induced can be formed.

請求項10のハイブリッドレーザーを利用した放電誘導装置によると、反射ミラーの局部的な凸部または凹部を任意の位置に形成することで、ビーム断面の任意の位置にフィラメントを一意的に連続して形成することができる。また、反射ミラーの表面に形成される局部的な凸部または凹部の位置を反射面の任意の位置に形成できるようにすれば、フィラメント生成の起点となる強度斑の位置を変えてフィラメントの数、長さおよび生成位置を制御することが可能となる。   According to the discharge induction device using the hybrid laser according to claim 10, by forming the local convex portion or concave portion of the reflection mirror at an arbitrary position, the filament is uniquely continuously arranged at an arbitrary position of the beam cross section. Can be formed. In addition, if the position of the local convex part or concave part formed on the surface of the reflecting mirror can be formed at an arbitrary position on the reflecting surface, the number of filaments can be changed by changing the position of the intensity spot that is the starting point of filament generation. It becomes possible to control the length and the generation position.

請求項11のハイブリッドレーザーを利用した放電誘導装置によると、局部的凸部または凹部により反射したビーム断面の任意の位置に形成された強度斑の周りに、大域的な凹部により反射した超短パルスレーザー光のエネルギあるいは周辺の強度斑を集合させて任意の位置の強度斑の電界強度をさらに強くすることができる。   According to the discharge induction device using the hybrid laser according to claim 11, an ultrashort pulse reflected by a global concave portion around an intensity spot formed at an arbitrary position of a beam cross section reflected by a local convex portion or concave portion. It is possible to increase the electric field strength of the intensity spots at arbitrary positions by gathering the energy of the laser light or surrounding intensity spots.

そして、請求項12のハイブリッドレーザーを利用した放電誘導装置によると、反射ミラーの表面形状を変化させることによって局所的な凸部または凹部の分布を変化させ、これによってフィラメント生成の起点となる強度斑の位置を変えて当該フィラメントの生成状況をさらに制御することが可能となる。   According to the discharge induction device using the hybrid laser according to claim 12, the distribution of the local convex portions or concave portions is changed by changing the surface shape of the reflecting mirror, and thereby the intensity unevenness that becomes the starting point of filament generation. It becomes possible to further control the production state of the filament by changing the position of the.

以下、本発明の構成を図面に示す最良の形態に基づいて詳細に説明する。   Hereinafter, the configuration of the present invention will be described in detail based on the best mode shown in the drawings.

図1に本発明の一実施形態を示す。本発明にかかるハイブリッドレーザーを利用した放電誘導装置1は電極2からの放電をレーザー光Lを利用して導電体3へと誘導するための装置である。本実施形態におけるいわばハイブリッド型の放電誘導装置1はレーザー発振器4と反射ミラー5とを備えた装置であり、フィラメントとリーダーとを混成していわば「ハイブリッドレーザー」を形成して放電誘導し、これによって放電誘導の特性を向上させるというものである。以下に示す実施形態では、この放電誘導装置1をレーザー誘雷に適用する場合について説明する(図1等参照)。この場合、電極2に該当するのが雷雲となり(以下、符号2を付して雷雲2と称する)、導電体3に該当するのが避雷針となる(以下、符号3を付して避雷針3と称する)。避雷針3は落雷被害を防止するための装置で、例えば先端に金属製の棒が立てられた鉄塔(避雷塔)などからなる。   FIG. 1 shows an embodiment of the present invention. A discharge induction apparatus 1 using a hybrid laser according to the present invention is an apparatus for inducing a discharge from an electrode 2 to a conductor 3 using a laser beam L. The so-called hybrid type discharge induction device 1 in the present embodiment is a device including a laser oscillator 4 and a reflection mirror 5, and a hybrid of a filament and a reader forms a “hybrid laser” to induce discharge. This improves the discharge induction characteristics. In the embodiment described below, a case where the discharge induction device 1 is applied to laser induced lightning will be described (see FIG. 1 and the like). In this case, a thundercloud corresponds to the electrode 2 (hereinafter referred to as a thundercloud 2 with reference numeral 2), and a lightning rod corresponds to the conductor 3 (hereinafter referred to as a thundercloud 3 with reference numeral 3). Called). The lightning rod 3 is a device for preventing lightning damage, and includes, for example, a steel tower (lightning tower) with a metal rod at the tip.

ここで、まずは本実施形態で行うレーザー誘雷について簡単に説明しておく。避雷針3などを使って雷を安全な場所へと人為的に導くのが誘雷と呼ばれるものであり、このうち、レーザー光Lを利用して誘雷させることはレーザー誘雷と呼ばれている。つまり、図1に示すように雷雲2へ向けてレーザー光Lを照射し、避雷針3に雷を誘導することにより落雷被害を回避する技術がレーザー誘雷である。このレーザー誘雷は、高密度・長尺のプラズマチャネルを地上と雷雲2との間にレーザー光Lを使って生成して行うもので、この場合に生じるプラズマが高い電気伝導度を有していることから、これにより雷放電路をガイドして安全な場所へと誘導する。つまりは、レーザー光Lのエネルギを高密度にして空気中に導電性のよいプラズマを生成し、これによって雷の通りやすい経路を形成するというものである。   Here, first, laser lightning performed in this embodiment will be briefly described. Using lightning rod 3 or the like to artificially guide lightning to a safe place is called “trigger lightning”. Among these, to induce lightning using laser light L is called “laser lightning”. . That is, as shown in FIG. 1, laser induced lightning is a technique for avoiding lightning damage by irradiating the lightning cloud 2 with laser light L and guiding lightning to the lightning rod 3. This laser-induced lightning is performed by generating a high-density / long plasma channel between the ground and the thundercloud 2 using laser light L. The plasma generated in this case has high electrical conductivity. Therefore, this guides the lightning discharge path to a safe place. In other words, the energy of the laser beam L is increased to generate plasma with good conductivity in the air, thereby forming a path through which lightning easily passes.

本実施形態におけるハイブリッド型の放電誘導装置1は、レーザー発振器4と反射ミラー5とを備えた装置となっている。このうち、レーザー発振器4はレーザー光Lとして超短パルスレーザー光Lを用いるもので、この超短パルスレーザー光Lを避雷針3の先端に向かうように照射する。この場合、当該超短パルスレーザー光Lを短焦点で集光することにより生成する高密度プラズマを用いて避雷針3から雷雲2へ向けて延びる上向きリーダーを誘起するとともに、他の超短パルスレーザー光Lを雷雲2に向けて照射し、当該他の超短パルスレーザー光Lを長焦点で集光することにより生成するフィラメントを用いて上向きリーダーを長距離誘導する(図1参照)。   The hybrid type discharge induction device 1 in the present embodiment is a device including a laser oscillator 4 and a reflection mirror 5. Among these, the laser oscillator 4 uses the ultrashort pulse laser beam L as the laser beam L, and irradiates the ultrashort pulse laser beam L toward the tip of the lightning rod 3. In this case, an upward leader extending from the lightning rod 3 toward the thundercloud 2 is induced using high-density plasma generated by condensing the ultrashort pulse laser beam L with a short focal point, and other ultrashort pulse laser beams. L is directed toward the thundercloud 2 and the other ultra-short pulse laser beam L is condensed at a long focal point to guide the upward reader over a long distance (see FIG. 1).

また、この放電誘導装置1における反射ミラー5は、超短パルスレーザー光Lを反射して当該レーザー光Lの経路を変えるミラーであって、部分的に焦点距離の異なる多重焦点型のミラー(多重焦点鏡)である。すなわち、この反射ミラー5は、レーザー発振器4から照射される超短パルスレーザー光Lの一部を焦点距離の短いミラー部分で反射・集光するとともに、超短パルスレーザー光Lの残りを焦点距離の長いミラー部分で反射するものである。焦点距離の短いミラー部分で反射された超短パルスレーザー光Lは避雷針3の先端に向かい、高密度プラズマを生成させ、雷雲2へ向けて延びる上向きリーダーを誘起する。一方、焦点距離の長いミラー部分で反射された超短パルスレーザー光Lは長焦点で集光(もしくは平行照射)し、大気中に多くのフィラメントを生成させる(本明細書ではこのように大気中にて多数生成したフィラメントのことを「マルチフィラメント」という)。   Further, the reflection mirror 5 in the discharge induction device 1 is a mirror that reflects the ultrashort pulse laser light L and changes the path of the laser light L, and is a multifocal type mirror (multiplexing partly different in focal length). Focusing mirror). That is, the reflection mirror 5 reflects and condenses a part of the ultrashort pulse laser beam L emitted from the laser oscillator 4 by a mirror portion having a short focal length, and the remaining focal length of the ultrashort pulse laser beam L. Reflected by a long mirror part. The ultrashort pulse laser beam L reflected by the mirror portion having a short focal length is directed toward the tip of the lightning rod 3 to generate high-density plasma and induce an upward leader extending toward the thundercloud 2. On the other hand, the ultrashort pulse laser beam L reflected by the mirror portion having a long focal length is condensed at a long focal point (or parallel irradiation) to generate many filaments in the atmosphere (in this specification, in this atmosphere Filaments produced in large numbers at the same time are called "multifilaments").

以下、上述した放電誘導装置1を用いて誘雷する場合の一形態を説明する。まず、レーザー発振器4から発生したレーザー光Lを反射ミラー(多重焦点鏡)5に照射する。上述したとおり、本実施形態の反射ミラー5は二つの焦点距離を有していて、一例を示せば一方は焦点距離10mであり、もう一方は焦点距離30mである。焦点距離10mの部分で集光されたレーザー光Lを避雷針3の先端に集光し、当該避雷針3の先端に高密度な集光プラズマを生成する(図1参照)。同時に焦点距離30mの部分から反射されるレーザー光Lによりフィラメントを生成する。この時、フィラメントの生成は避雷針3の先端より前から生成するように反射ミラー5の焦点距離を調整しておくのが望ましい。こうした場合、焦点距離10mの集光により生じた高密度な集光プラズマにより上向きリーダーを生成し、そのリーダーを焦点距離30mの集光により生じたフィラメントによりガイドすることが可能となる。上向きリーダーを数10mガイドすれば、あとは自然と雷雲2まで達するため、その後の後続雷撃を確実に目的とする避雷針3に誘導することが可能となる(図1参照)。   Hereinafter, an embodiment in the case of performing lightning strike using the above-described discharge induction device 1 will be described. First, the laser beam L generated from the laser oscillator 4 is irradiated onto the reflection mirror (multifocal mirror) 5. As described above, the reflecting mirror 5 of the present embodiment has two focal lengths, and one example has a focal length of 10 m and the other has a focal length of 30 m. The laser light L condensed at a focal distance of 10 m is condensed on the tip of the lightning rod 3 to generate high-density focused plasma at the tip of the lightning rod 3 (see FIG. 1). At the same time, a filament is generated by the laser light L reflected from the portion having a focal length of 30 m. At this time, it is desirable to adjust the focal length of the reflecting mirror 5 so that the filament is generated before the tip of the lightning rod 3. In such a case, it is possible to generate an upward leader by high-density focused plasma generated by condensing with a focal length of 10 m, and to guide the reader with a filament generated by condensing with a focal length of 30 m. If you guide the upward leader for several tens of meters, it will naturally reach the thundercloud 2, so that you can reliably guide the subsequent lightning stroke to the lightning rod 3 (see Fig. 1).

なお、ここでは反射ミラー(集光ミラー)5の一例として多重焦点鏡を使用する場合について説明したが、これに限らず、焦点距離の短い反射ミラー5と焦点距離の長い反射ミラー5という別々のミラーを組み合わせることとしてもよい。この場合、システムは若干複雑になるが、多重焦点鏡のような特殊なミラーを用いないため、コストを下げることが可能だという利点がある。また、気象条件等の影響によりフィラメントの生成状況が異なることが考えられるが、焦点距離の異なる別々の反射ミラー5を用いれば、気象条件等の変化に応じて例えば焦点距離の長い反射ミラー5のみを交換するだけで対応が可能になるという利点もある。   Here, the case where a multifocal mirror is used as an example of the reflection mirror (condensing mirror) 5 has been described. However, the present invention is not limited thereto, and the reflection mirror 5 having a short focal length and the reflection mirror 5 having a long focal length are separately provided. It is good also as combining a mirror. In this case, although the system is slightly complicated, there is an advantage that the cost can be reduced because a special mirror such as a multifocal mirror is not used. In addition, it is conceivable that the generation state of the filaments is different due to the influence of weather conditions, etc. However, if separate reflection mirrors 5 having different focal distances are used, only the reflection mirror 5 having a long focal distance, for example, according to changes in weather conditions or the like There is also an advantage that it is possible to cope with it simply by replacing the.

ここで、フィラメントを生成かつ制御する方法として、局部的な凸部または凹部を有する反射ミラー5を使用すれば、予め設計された任意の位置にフィラメントを生成することが可能になるという点で好ましい。また、フィラメントを生成かつ制御する方法として、局部的な凸部または凹部に、この局部的な凸部または凹部に比して大域的な凹部を加えた反射ミラー5を使用すれば、任意の位置にレーザー光強度を集中することが可能になるという点でやはり好ましい。こうした場合には、局部的凸部または凹部により反射したビーム断面の任意の位置に形成された強度斑の周りに、大域的な凹部により反射した超短パルスレーザー光のエネルギあるいは周辺の強度斑を集合させて任意の位置の強度斑の電界強度をさらに強くし、ビーム伝播中のフィラメント生成をより確実なものとすることができる。さらに、フィラメントを生成かつ制御する方法として、局部的な凸部または凹部に、この局部的な凸部または凹部に比して大域的な凹部を加えた表面形状可変反射ミラー5を使用することとした場合には、大域的凹部の形成位置を制御することによってリアルタイムでビーム断面上におけるフィラメントの発生位置を制御することができる。これにより、気象条件の変化等によりフィラメントの生成条件が変化した場合でも、最適な位置にフィラメントを生成することが可能となる。   Here, as a method for generating and controlling the filament, the use of the reflecting mirror 5 having local convex portions or concave portions is preferable in that the filament can be generated at an arbitrary position designed in advance. . Further, as a method for generating and controlling the filament, if the reflecting mirror 5 in which a global concave portion is added to the local convex portion or concave portion as compared with the local convex portion or concave portion is used, any position can be obtained. It is also preferable in that the intensity of the laser beam can be concentrated. In such a case, the energy of the ultrashort pulse laser beam reflected by the global concave portion or the peripheral intensity irregularity is reflected around the intensity spot formed at an arbitrary position of the beam cross section reflected by the local convex part or concave part. By gathering, the electric field strength of the intensity spot at an arbitrary position can be further increased, and filament generation during beam propagation can be made more reliable. Further, as a method for generating and controlling the filament, the surface shape variable reflecting mirror 5 in which a local convex portion or a concave portion is added with a global concave portion as compared with the local convex portion or concave portion is used. In this case, the generation position of the filament on the beam cross section can be controlled in real time by controlling the formation position of the global recess. As a result, even when the filament generation conditions change due to changes in weather conditions or the like, the filaments can be generated at optimal positions.

本実施形態における反射ミラー5は、上述したような局部的な凸部または凹部を有し、レーザー光Lを反射して当該レーザー光Lの経路を変えるミラーとなっている。そして、このような反射ミラー5を使用してマルチフィラメントを生成し尚かつ制御することとしている。以下においては、このようなレーザー発振器4および反射ミラー5を用いて大気中にフィラメントを生成させる場合の好適な形態について説明しておく(図2〜図14参照)。ここでは、局部的な凸部または凹部9を有する反射ミラー5に超短パルスレーザー光(以下、「超短パルスレーザービーム」ともいう)Lを照射し、局部的凸部または凹部9により反射したビーム断面の任意の部位に強度斑を作ることでフィラメント発生の起点とする。   The reflection mirror 5 in the present embodiment has a local convex portion or concave portion as described above, and is a mirror that reflects the laser light L and changes the path of the laser light L. The reflection mirror 5 is used to generate and control multifilaments. Below, the suitable form in the case of producing | generating a filament in air | atmosphere using such a laser oscillator 4 and the reflective mirror 5 is demonstrated (refer FIGS. 2-14). Here, an ultrashort pulse laser beam (hereinafter also referred to as “ultrashort pulse laser beam”) L is applied to the reflection mirror 5 having a local convex portion or concave portion 9 and reflected by the local convex portion or concave portion 9. The origin of filament generation is created by creating intensity spots at any part of the beam cross section.

即ち、局部的な凸部または凹部9を有する反射ミラー5を超短パルスレーザービームLの光路上へ介装することにより、超短パルスレーザービームLが反射する際に、ミラー表面の局部的な凸部または凹部9に応じた局所的な空間変調がビームの波面に与えられ、これが起点(種)となってフィラメントをビーム伝播の過程で形成する。このフィラメントは、反射ミラー5の表面の局部的な凸部または凹部9の存在により安定して生成されることから、局部的な凸部または凹部9を任意の位置に形成することで、ビーム断面の任意の位置に一意的に連続して形成される。尚、局部的な凸部または凹部9は、反射ミラー5の表面・反射面のビームが照射される領域内の任意の位置に少なくとも1つは設けられるが、必要に応じて2カ所以上設けることも可能である。   That is, by interposing the reflecting mirror 5 having local convex portions or concave portions 9 on the optical path of the ultrashort pulse laser beam L, when the ultrashort pulse laser beam L is reflected, local reflection on the mirror surface is performed. A local spatial modulation corresponding to the convex portion or the concave portion 9 is given to the wavefront of the beam, which becomes a starting point (seed) and forms a filament in the course of beam propagation. Since this filament is stably generated due to the presence of the local convex portion or concave portion 9 on the surface of the reflecting mirror 5, by forming the local convex portion or concave portion 9 at an arbitrary position, the beam cross section Are continuously formed uniquely at arbitrary positions. It should be noted that at least one local convex portion or concave portion 9 is provided at any position in the region irradiated with the beam on the surface / reflecting surface of the reflecting mirror 5, but two or more portions are provided as necessary. Is also possible.

また、局部的な凸部または凹部9を有する反射ミラー5は、このような局部的な凸部または凹部9に加え、当該局部的な凸部または凹部9よりも大きな大域的凹部(図4において符号10を付けて表示)を備えたものであることが好ましい。すなわち、局部的凸部または凹部により強度斑を作る工程と同時にあるいは前後して、局部的凸部または凹部9に比して大域的な凹部10を有する反射ミラー5で超短パルスレーザービームLを反射させることにより、超短パルスレーザービームLのエネルギあるいは周辺の強度斑を大域的凹部10の中心に向けて集合させるようにすれば、フィラメント生成の起点となる強度斑の電界強度をより強くしてビーム伝播中のフィラメント生成をより確実なものとできる。より具体的には、局部的凸部または凹部9の周りあるいはビーム断面の局部的な凸部または凹部9の周りに相当する位置に、局部的凸部または凹部9に比して大域的凹部10を有する反射ミラー5で超短パルスレーザービームLを反射させることにより、反射ビームのエネルギあるいは周辺の強度斑を中心となる強度斑の周りに集合させて、フィラメント生成の起点となる強度斑の電界強度をより強くしてビーム伝播中のフィラメント生成をより確実なものにすると共に反射ビーム断面の任意の部位に任意の密度のフィラメントを生成させることを可能とする。   Further, the reflecting mirror 5 having the local convex portion or concave portion 9 has a global concave portion (in FIG. 4) larger than the local convex portion or concave portion 9 in addition to the local convex portion or concave portion 9. It is preferable that the display is provided with a reference numeral 10. That is, the ultrashort pulse laser beam L is emitted by the reflecting mirror 5 having the global concave portion 10 as compared with the local convex portion or concave portion 9 simultaneously with or before and after the step of creating intensity spots by the local convex portion or concave portion. If the energy of the ultrashort pulse laser beam L or the surrounding intensity spots are gathered toward the center of the global recess 10 by reflection, the electric field intensity of the intensity spots that become the starting point of filament generation is made stronger. Thus, filament generation during beam propagation can be made more reliable. More specifically, the global concave portion 10 is located around the local convex portion or concave portion 9 or at a position corresponding to the local convex portion or concave portion 9 in the beam cross section as compared with the local convex portion or concave portion 9. By reflecting the ultrashort pulse laser beam L with the reflecting mirror 5 having the above, the energy of the reflected beam or the surrounding intensity spots are gathered around the intensity spots around the center, and the electric field of the intensity spots that becomes the starting point of filament generation It is possible to increase the intensity to ensure filament generation during beam propagation and to generate a filament of any density at any part of the cross section of the reflected beam.

また、大域的凹部10の形成位置を制御することで、ビーム断面上におけるフィラメントの発生位置を制御できる。即ち、反射ミラー5の反射面に予め形成されている局部的な凸部または凹部9により、ビーム伝播の過程でビームの波面にフィラメントを形成する起点(種)となる局所的な空間変調がビームが照射される領域内の局部的な凸部または凹部9の数だけ与えられて反射ビームに形成されるが、その内の一部の強度斑について超短パルスレーザービームLのエネルギあるいは周辺の強度斑が集合するように大域的凹部10を反射面に形成すれば、大域的凹部10の中心にある強度斑の電界強度がより強くされることによって、さらには周辺の強度斑が集合ないし合流することによって、ビーム断面中の大域的凹部10の中心に位置する場所に確実により密度の高いあるいは強いフィラメントが生成される。そこで、大域的な凹部10の形成位置を制御することで、ビーム断面上の任意位置に任意密度あるいは数のフィラメントを発生させるように制御できる。これによれば、大気中に多数のフィラメントからなるマルチフィラメントを積極的に生成させることも可能となる。   Further, by controlling the formation position of the global recess 10, the generation position of the filament on the beam cross section can be controlled. That is, the local convex or concave portion 9 formed in advance on the reflecting surface of the reflecting mirror 5 causes local spatial modulation as a starting point (seed) to form a filament on the wave front of the beam in the course of beam propagation. The number of local convex portions or concave portions 9 in the region irradiated with the laser beam is provided to form a reflected beam, and the energy of the ultrashort pulse laser beam L or the intensity of the surroundings is generated for some of the intensity spots. If the global concave portion 10 is formed on the reflecting surface so that the spots are gathered, the electric field strength of the intensity spots at the center of the global concave portion 10 is further increased, and further, the peripheral intensity spots gather or merge. This ensures that a denser or stronger filament is produced at a location located at the center of the global recess 10 in the beam cross section. Therefore, by controlling the formation position of the global recess 10, it is possible to control to generate an arbitrary density or number of filaments at an arbitrary position on the beam cross section. According to this, it becomes possible to actively generate multifilaments composed of a large number of filaments in the atmosphere.

上述のフィラメント発生起点の生成工程と超短パルスレーザービームLのエネルギあるいは周辺の強度斑を強度斑の周りに集合させる工程とは、同時に実施する場合ばかりでなく、いずれかを先に実施しても良い。しかし、同時あるいは超短パルスレーザービームLのエネルギあるいは周辺の強度斑を強度斑の周りに集合させる工程を後で実施する場合の方が、幾つか発生しているフィラメント発生起点のうちの1つあるいは複数の強度斑の電界強度をさらに強くしてフィラメントの生成を促すことが容易である。   The step of generating the filament generation start point and the step of collecting the energy of the ultrashort pulse laser beam L or the surrounding intensity spots around the intensity spots are not only performed at the same time, but either one is performed first. Also good. However, when the step of collecting the energy of the simultaneous or ultrashort pulse laser beam L or the surrounding intensity spots around the intensity spots is performed later, it is one of the filament generation starting points. Alternatively, it is easy to further increase the electric field strength of a plurality of intensity spots and promote the generation of filaments.

ここで、フィラメント発生の起点となる強度斑を生成する工程と超短パルスレーザービームLのエネルギを上記の強度斑の周りに集合させる工程とを同時に実施するフィラメント形成方法としては、例えば反射面に局部的な凸部または凹部9を有しかつこの局部的な凸部または凹部9の周りに局部的凸部または凹部9に比して大域的な凹部10を形成するように任意に変形可能な可変形反射ミラー5の採用である。この場合には、局部的凸部または凹部9により形成される強度斑の生成位置と大域的凹部10により起こる超短パルスレーザービームLのエネルギあるいは周辺の強度斑の集合位置とが予め関連づけられており、ビーム断面の任意位置の強度斑の電界強度をより確実にさらに強くする。   Here, as a method for forming a filament that simultaneously performs the step of generating an intensity spot that is the starting point of filament generation and the step of collecting the energy of the ultrashort pulse laser beam L around the intensity spot, for example, a reflecting surface It can be arbitrarily deformed so as to have a local convex portion or concave portion 9 and to form a global concave portion 10 around the local convex portion or concave portion 9 as compared with the local convex portion or concave portion 9. The variable reflection mirror 5 is used. In this case, the generation position of the intensity spots formed by the local protrusions or recesses 9 and the energy of the ultrashort pulse laser beam L generated by the global recesses 10 or the gathering positions of the surrounding intensity spots are associated in advance. Thus, the electric field strength of the intensity spot at an arbitrary position on the beam cross section is more reliably increased.

また、フィラメント発生の起点を生成する工程と超短パルスレーザービームLのエネルギを強度斑の周りに集合させる工程とを連続的に実施するフィラメント形成方法としては、例えば局部的な凸部または凹部9を有する反射ミラー5と局部的凸部または凹部9に比して大域的な凹部10をビーム断面の局部的な凸部または凹部9の周りに相当する位置に形成する反射ミラー5との別々の反射ミラー5で順番に反射させることがある。この場合には、局部的凸部または凹部9により反射後のビーム断面の任意の位置に一意的に形成される強度斑とは独立して大域的凹部10により起こる超短パルスレーザービームLのエネルギあるいは周辺の強度斑の集合が制御される。   In addition, as a filament forming method for continuously performing the step of generating the filament generation starting point and the step of collecting the energy of the ultrashort pulse laser beam L around the intensity spots, for example, a local convex portion or concave portion 9 is used. The reflecting mirror 5 having the above and the reflecting mirror 5 which forms a global concave portion 10 at a position corresponding to the local convex portion or concave portion 9 in the beam cross section as compared with the local convex portion or concave portion 9 are separated. The light may be reflected by the reflection mirror 5 in order. In this case, the energy of the ultrashort pulse laser beam L generated by the global concave portion 10 independently of the intensity unevenness uniquely formed at an arbitrary position in the beam cross section after reflection by the local convex portion or concave portion 9. Alternatively, a set of surrounding intensity spots is controlled.

尚、独立制御可能な複数のアクチュエータを備えることによって反射面が任意に変形可能な可変形反射ミラー5を用いる場合には、少なくとも搭載されたアクチュエータの数の大域的凹部10が反射面に形成されることから、各大域的凹部10の中心に相当する位置ごとに、あるいはその周辺に局部的な凸部または凹部9を設けることが好ましい。   In the case of using the deformable reflecting mirror 5 in which the reflecting surface can be arbitrarily deformed by providing a plurality of independently controllable actuators, at least the number of mounted global recesses 10 is formed on the reflecting surface. Therefore, it is preferable to provide a local convex portion or concave portion 9 for each position corresponding to the center of each global concave portion 10 or in the vicinity thereof.

以上のようにミラー表面の局部的な凸部または凹部9に応じた局所的な空間変調を超短パルスレーザービームLに与えてフィラメントを形成することができるフィラメント形成装置の一例を図2および図3に示す。このフィラメント形成装置は、独立制御可能な複数のアクチュエータを備える可変形反射ミラー5を用いたものであり、反射面が任意に変形可能な反射ミラー(以下、可変形ミラーとも呼ぶ)5と、該可変形ミラー5の背面側に連結されて可変形ミラー5に対して変位を与えるアクチュエータ6とを備え、アクチュエータ6の駆動によって可変形ミラー5を大域的に変形可能としたものである。   2 and FIG. 2 show an example of a filament forming apparatus capable of forming a filament by applying a local spatial modulation corresponding to the local convex portion or concave portion 9 on the mirror surface to the ultrashort pulse laser beam L as described above. 3 shows. This filament forming apparatus uses a variable reflection mirror 5 having a plurality of independently controllable actuators, and a reflection mirror 5 whose reflection surface can be arbitrarily deformed (hereinafter also referred to as a variable mirror), The actuator 6 is connected to the back side of the deformable mirror 5 and applies a displacement to the deformable mirror 5, and the deformable mirror 5 can be globally deformed by driving the actuator 6.

ここで、可変形ミラー5としては、独立して制御可能な複数本のアクチュエータ6の駆動により反射面が任意に変形可能な薄肉の平面ミラーが採用されている。本実施形態の場合、アクチュエータ6の駆動により所望の大域的凹部10を容易に形成できる程度の剛性を有するものであり、例えば縦横寸法が100×100(mm)程度の正方形状のミラーにおいては厚さ3mm程度の薄肉の平面鏡の使用が好ましい。   Here, as the deformable mirror 5, a thin flat mirror whose reflection surface can be arbitrarily deformed by driving a plurality of independently controllable actuators 6 is employed. In the case of the present embodiment, the actuator has rigidity enough to easily form a desired global recess 10 by driving the actuator 6. For example, a square mirror having a vertical and horizontal dimension of about 100 × 100 (mm) is thick. It is preferable to use a thin plane mirror having a thickness of about 3 mm.

反射ミラー5の背面はアクチュエータ6に連結され、アクチュエータ6を介してフレーム11に支持されている。本実施形態では、13本のアクチュエータ6が可変形ミラー5の裏面全域にほぼ均等な間隔で縦横並びに対角線上に配置されているが、この本数に特に限られるものではない。   The back surface of the reflection mirror 5 is connected to the actuator 6 and supported by the frame 11 via the actuator 6. In the present embodiment, the 13 actuators 6 are arranged on the entire back surface of the deformable mirror 5 vertically and horizontally and diagonally at almost equal intervals, but the number is not particularly limited.

アクチュエータ6は、反射ミラー5の背面に固着されているロッド13を含み、該ロッド13が当該アクチュエータ6の可動部(本実施形態ではロッドホルダ14)に対して切り離し可能に連結されている。例えば、アクチュエータ6は、駆動素子16の先端に固定されているロッドホルダ14の少なくともロッド13を固定する端部側にロッド13を嵌め込む孔を設け、ロッド13の後端側を嵌め込んだ状態でロッド13をねじ15で締め付けることによって着脱可能に固定されている。本実施形態では、ロッドホルダ14のねじ孔に螺合されたねじ15の先端でロッド13の外周面を押しつけることによって摩擦力でロッド13を固定するようにしているが、場合によってはピンなどで着脱可能に連結しても良い。ロッド13を簡単に着脱できる構造とすることによって、可変形ミラー5の反射特性が劣化した場合など、可変形ミラー5の交換が必要となったときには、ねじ5を弛めてロッドホルダ14からロッド13を取り外すことで、劣化した可変形ミラー5(裏面に接着されたロッド13を含む)だけを交換することができる。即ち、ロッドホルダ14、アクチュエータ6及び支持フレーム11はそのまま再利用できるので経済的である。   The actuator 6 includes a rod 13 fixed to the back surface of the reflecting mirror 5, and the rod 13 is detachably connected to a movable portion of the actuator 6 (rod holder 14 in the present embodiment). For example, the actuator 6 is provided with a hole for fitting the rod 13 on at least the end side of the rod holder 14 fixed to the tip of the drive element 16 and fixing the rear end side of the rod 13. The rod 13 is detachably fixed by tightening the rod 13 with a screw 15. In the present embodiment, the rod 13 is fixed by frictional force by pressing the outer peripheral surface of the rod 13 with the tip of the screw 15 screwed into the screw hole of the rod holder 14. You may connect so that attachment or detachment is possible. When it is necessary to replace the deformable mirror 5, such as when the reflection characteristics of the deformable mirror 5 deteriorate due to the structure in which the rod 13 can be easily attached and detached, the screw 5 is loosened and the rod holder 14 is removed from the rod holder 14. By removing 13, only the deformable deformable mirror 5 (including the rod 13 bonded to the back surface) can be replaced. That is, the rod holder 14, the actuator 6 and the support frame 11 can be reused as they are, which is economical.

アクチュエータ6と可変形ミラー5との連結は、本実施形態の場合、エポキシ樹脂系接着剤17を使い、ロッド13の先端と可変形ミラー5の背面とを接着することによってお行っている。この場合、厚さ3mmという薄肉の可変形ミラー5では、接着剤17が硬化するときの応力変化の影響がミラー表面に現れやすく、アクチュエータ6が接着された部分の可変形ミラー5の表面側(反射面側)が僅かに隆起する場合がある。例えば、エポキシ樹脂系接着剤17でロッド13を接着させた一実施例においては、0.4μmの凸部(隆起)9が形成された(図3参照)。ここで、接着剤17の硬化または固化により形成される凸部(または凹部)9が局部的であれば、超短パルスレーザービームLが反射したときに生ずるビームの波面に与えられる局所的な空間変調は、フィラメントを形成する起点となるのに十分なものとなる。また、接着剤17を利用して生じさせた高さ0.4μm程度の隆起や窪みであれば、可変形ミラー5の鏡面を蒸着形成して製作する時、予め蒸着面手前に穴開きマスクをセットし、蒸着工程時に鏡面蒸着の膜厚を局部的にコントロールすることで局部的凸部(または凹部)9を形成することも可能である。   In the case of this embodiment, the actuator 6 and the deformable mirror 5 are connected by using an epoxy resin adhesive 17 and bonding the tip of the rod 13 to the back surface of the deformable mirror 5. In this case, in the thin deformable mirror 5 having a thickness of 3 mm, the influence of the stress change when the adhesive 17 is cured is likely to appear on the mirror surface, and the surface side of the deformable mirror 5 at the portion where the actuator 6 is adhered ( The reflective surface side) may be slightly raised. For example, in one example in which the rod 13 was bonded with the epoxy resin adhesive 17, a convex portion (bump) 9 having a diameter of 0.4 μm was formed (see FIG. 3). Here, if the convex part (or concave part) 9 formed by hardening or solidification of the adhesive 17 is local, a local space given to the wavefront of the beam generated when the ultrashort pulse laser beam L is reflected. The modulation is sufficient to be the starting point for forming the filament. In addition, if the protrusion or depression having a height of about 0.4 μm generated by using the adhesive 17 is manufactured by forming the mirror surface of the deformable mirror 5 by vapor deposition, a perforated mask is previously provided in front of the vapor deposition surface. It is also possible to form the local convex portion (or concave portion) 9 by setting and locally controlling the film thickness of the mirror vapor deposition during the vapor deposition step.

ここで、可変形ミラー5の厚みが大域的な凹部10が形成できる程度の可撓性を有する厚さであっても、接着剤17によってロッド13を直付けすることにより局部的な凸部または凹部9が形成されないことがある。例えば、厚さ3mmの可変形ミラー5の表面形状を図8に示す。この場合には、点状の局部的な隆起(凸部)あるいは窪み(凹部)が発生している。他方、図7には厚さ6mmの可変形ミラー5の表面形状を示す。この場合には、図8の可変形ミラー5とは異なって、点状の局部的な隆起(凸部)あるいは窪み(凹部)が発生していない。これは、可変形ミラー5が厚過ぎるので、接着剤17の硬化時または固化時の収縮やストレスでは局部的隆起あるいは窪みが起きないものと思われる。このことから、ロッド13の接着によってミラー表面に局部的凸部(または凹部)9を形成する場合には、厚さ2〜3mm程度のミラーを使用することが好ましい。勿論、可変形ミラー5の裏面とアクチュエータ6の接着剤17による直付けによって局部的な凸部(または凹部)9を形成しないのであれば、例えば蒸着膜の制御などで局部的な凸部(または凹部)9を形成するのであれば、アクチュエータ6の駆動によって大域的な凹部10が形成できる程度の可撓性を有する厚さであれば実施可能である。   Here, even if the thickness of the deformable mirror 5 is flexible enough to form the global recess 10, the local protrusion or The recess 9 may not be formed. For example, the surface shape of the deformable mirror 5 having a thickness of 3 mm is shown in FIG. In this case, point-like local protrusions (convex portions) or depressions (concave portions) are generated. On the other hand, FIG. 7 shows the surface shape of the deformable mirror 5 having a thickness of 6 mm. In this case, unlike the deformable mirror 5 of FIG. 8, no dot-like local bulge (convex portion) or depression (concave portion) is generated. This is presumably because the deformable mirror 5 is too thick, and no local bulge or depression occurs due to shrinkage or stress when the adhesive 17 is cured or solidified. For this reason, when the local convex portion (or concave portion) 9 is formed on the mirror surface by bonding the rod 13, it is preferable to use a mirror having a thickness of about 2 to 3 mm. Of course, if the local convex portion (or concave portion) 9 is not formed by directly attaching the back surface of the deformable mirror 5 and the actuator 6 with the adhesive 17, the local convex portion (or, for example, by controlling the deposited film) If the concave portion 9 is formed, the thickness can be implemented as long as the thickness is flexible enough to form the global concave portion 10 by driving the actuator 6.

また、駆動素子16としては、圧電素子(PZT:Pb−Zr−Ti)または電歪素子(PMN:Pb−Mg−Nb)などの、可変形ミラー5の微小変位を可能とする駆動源が用いられている。電歪素子などの駆動素子の場合、印加電圧の大きさや方向を切り替えることで、駆動素子16の変位方向・量を容易に制御できるので使用が好ましいが、これに限られるものではない。駆動素子16はフレーム11の土台に対して垂直に配置されている壁11bに固定され、可動部となるロッドホルダ14は貫通孔を有する壁11aを通して前後方向(図上左右)へ進退動可能に支持されている(図2参照)。可変形ミラー5は互いに平行に配置された複数のアクチュエータ6の駆動を適宜制御することによって、即ちロッド13を前方に押し出すアクチュエータ6と後方へ引き戻すアクチュエータ6あるいは駆動させないアクチュエータ6とを組み合わせることによって、可変形ミラー5の所望の領域に大域的凹部10を形成するように変形させられる。   Further, as the drive element 16, a drive source capable of minute displacement of the deformable mirror 5, such as a piezoelectric element (PZT: Pb-Zr-Ti) or an electrostrictive element (PMN: Pb-Mg-Nb) is used. It has been. In the case of a driving element such as an electrostrictive element, use is preferable because the direction and amount of displacement of the driving element 16 can be easily controlled by switching the magnitude and direction of the applied voltage, but the present invention is not limited to this. The drive element 16 is fixed to a wall 11b arranged perpendicular to the base of the frame 11, and the rod holder 14 serving as a movable part can be moved forward and backward in the front-rear direction (left and right in the figure) through the wall 11a having a through hole. It is supported (see FIG. 2). The deformable mirror 5 appropriately controls the driving of a plurality of actuators 6 arranged in parallel to each other, that is, by combining the actuator 6 that pushes the rod 13 forward with the actuator 6 that pulls back or the actuator 6 that does not drive the rod 13. The deformable mirror 5 is deformed to form a global recess 10 in a desired region.

以上のように構成されたフィラメント形成装置に超短パルスレーザービームLを入射し、その反射光を大気中伝播させたときにフィラメントが生成されることを以下に説明する。尚、説明を簡単にするため、一辺100mmのミラーに対して超短パルスレーザービームLの直径を50√2mmとすることで、13本のアクチュエータ6のうちの、中心付近の5本(符号E,J,K,L,M)について注目することとした(図3等参照)。   It will be described below that the filament is generated when the ultrashort pulse laser beam L is incident on the filament forming apparatus configured as described above and the reflected light is propagated in the atmosphere. In order to simplify the description, the diameter of the ultrashort pulse laser beam L is set to 50√2 mm with respect to a mirror having a side of 100 mm, so that five of the 13 actuators 6 near the center (reference E) , J, K, L, M) (see FIG. 3 etc.).

まず、反射面に局部的な凸部(または凹部)9を有する反射ミラー5のみを使ってフィラメントを形成する方法について説明する。図8に示したような点状の局部的な隆起(凸部)あるいは窪み(凹部)が発生している反射ミラー5を超短パルスレーザービームLの光路上へ介装することによって、波面が整った超短パルスレーザービームLであっても(図5(A)参照)、反射ビーム中には、ミラー表面の局部的な凸部(または凹部)9に応じた局所的な空間変調がビームの波面に与えられ(図4(B)参照)、ビームの伝播の過程で前述のビームの波面に与えられる局所的な空間変調がさらに顕著となり(図4(C)、図4(D)参照)、これが起点(種)となってフィラメントをビーム伝播の過程で形成する。このフィラメントは、反射ミラー5の表面の局部的な凸部(または凹部)9の存在により安定して生成されることから、局部的な凸部(または凹部)9を任意の位置に形成することで、ビーム断面の任意の位置に一意的に連続して形成される。図11は近距離における反射ビーム(図11等において符号19で表示)の断面強度分布を示し、図12は遠距離における反射ビーム19の断面強度分布を示す。このように、ミラー中央部に作られた局部的凸部(または凹部)9によって単一のフィラメント(図11等において符号20で表示)が優先的に生成されていることが分かる。超短パルスレーザービームLを反射させて大気中伝播させた場合、反射したビーム19の断面には、強度斑によってフィラメントの起点(図8において符号8で表示)が生成され、さらに伝播が進む中でフィラメント20が成長することが判明した。   First, a method for forming a filament using only the reflecting mirror 5 having the local convex portion (or concave portion) 9 on the reflecting surface will be described. By interposing the reflection mirror 5 in which the dot-like local bulge (convex portion) or dent (concave portion) as shown in FIG. 8 is generated on the optical path of the ultrashort pulse laser beam L, the wavefront is changed. Even in the case of the arranged ultrashort pulse laser beam L (see FIG. 5A), the local spatial modulation according to the local convex portion (or concave portion) 9 on the mirror surface is included in the reflected beam. (See FIG. 4 (B)), and the local spatial modulation given to the wavefront of the beam in the course of beam propagation becomes more prominent (see FIG. 4 (C) and FIG. 4 (D)). ), Which becomes the starting point (seed) and forms the filament in the course of beam propagation. Since this filament is stably generated by the presence of the local convex portion (or concave portion) 9 on the surface of the reflecting mirror 5, the local convex portion (or concave portion) 9 is formed at an arbitrary position. Thus, it is continuously formed uniquely at an arbitrary position of the beam cross section. 11 shows the cross-sectional intensity distribution of the reflected beam (indicated by reference numeral 19 in FIG. 11 and the like) at a short distance, and FIG. 12 shows the cross-sectional intensity distribution of the reflected beam 19 at a long distance. Thus, it can be seen that a single filament (indicated by reference numeral 20 in FIG. 11 and the like) is preferentially generated by the local convex portion (or concave portion) 9 formed in the central portion of the mirror. When the ultrashort pulse laser beam L is reflected and propagated in the atmosphere, the origin of the filament (indicated by reference numeral 8 in FIG. 8) is generated in the cross section of the reflected beam 19 due to intensity spots, and further propagation proceeds. It was found that the filament 20 grew.

次に、局部的凸部(または凹部)9とそれよりも大きな大域的な凹部10を有する反射ミラー5を使ってフィラメントを形成する方法について説明する。図10に示すように、符号E,J,K,L,Mの5個のアクチュエータ6を駆動させ、可変形ミラー5を裏面側から引っ張って、可変形ミラー5の表面側を大域的に窪ませて変形させる。この状態においても、図4に示すように、アクチュエータ6によってミラー表面形状が大域的な凹部10に形成され尚かつ局部的凸部(または凹部)9が存在する特殊な表面形状が実現されている(図11参照)。これによって、局部的凸部(または凹部)9の周りあるいはビーム断面の局部的な凸部(または凹部)9の周りに相当する位置に、反射ビームのエネルギあるいは周辺の強度斑を中心となる強度斑の周りに集合させて、フィラメント生成の起点となる強度斑の電界強度をより強くしてビーム伝播中のフィラメント生成をより確実なものにする。図13に可変形ミラー5の中央部を引っ張ったときのビーム断面の状態を示す。ビーム中央部に相当するミラー中央部のアクチュエータ(E)を引っ張ってミラー中央部に大域的凹部10を形成した場合、周辺の強度斑がビーム中央に集合し高密度のフィラメント20が形成された(図13参照)。   Next, a method of forming a filament using the reflecting mirror 5 having the local convex portion (or concave portion) 9 and the larger global concave portion 10 will be described. As shown in FIG. 10, five actuators 6, E, J, K, L, and M are driven, and the deformable mirror 5 is pulled from the back surface side, so that the surface side of the deformable mirror 5 is depressed globally. Do not deform. Even in this state, as shown in FIG. 4, a special surface shape in which the mirror surface shape is formed in the global concave portion 10 and the local convex portion (or concave portion) 9 exists is realized by the actuator 6. (See FIG. 11). As a result, the intensity centered on the energy of the reflected beam or the surrounding intensity spots around the local convex part (or concave part) 9 or at a position corresponding to the local convex part (or concave part) 9 of the beam cross section. By gathering around the spots, the electric field intensity of the intensity spots that are the starting points of filament generation is made stronger, and filament generation during beam propagation is made more reliable. FIG. 13 shows the state of the beam cross section when the central portion of the deformable mirror 5 is pulled. When the global concave portion 10 is formed in the mirror central portion by pulling the actuator (E) in the central portion of the mirror corresponding to the central portion of the beam, peripheral intensity spots are gathered in the central portion of the beam to form a high-density filament 20 ( (See FIG. 13).

さらに、ビーム断面上における大域的凹部10の形成位置を制御することによって、フィラメント20が生成される位置を制御できる。例えば、ビーム中央部に相当するミラー中央部のアクチュエータ(E)を引っ張ってミラー中央部に大域的凹部10を形成した場合、周辺の強度斑がビーム中央に集合し高密度のフィラメント20が形成された(図13参照)。他方、反射ミラー5のビームが照射される領域(図7等において符号18を付けて表示)内のミラー周辺部(ビーム周辺部)に相当するアクチュエータ(M)を引っ張ってミラー周辺部に大域的凹部10を形成した場合、強度斑もビーム周辺部に片寄り、周辺部の方がフィラメントの形成が顕著となって高密度のフィラメント20が形成された(図14参照)。このことから、反射ミラー5の表面のフィラメント生成の起点となる局部的な凸部(または凹部)9の位置を変更しなくとも、反射ミラー5の表面に形成される大域的凹部10の形成位置を制御することでフィラメントが顕著に形成される位置、高密度のフィラメントが形成される位置を制御できることが明らかになった。   Furthermore, the position where the filament 20 is generated can be controlled by controlling the formation position of the global recess 10 on the beam cross section. For example, when a global concave portion 10 is formed in the mirror central portion by pulling the actuator (E) in the central portion of the mirror corresponding to the central portion of the beam, peripheral intensity spots gather at the central portion of the beam to form a high-density filament 20. (See FIG. 13). On the other hand, the actuator (M) corresponding to the mirror peripheral portion (beam peripheral portion) in the region irradiated with the beam of the reflecting mirror 5 (indicated by reference numeral 18 in FIG. 7 and the like) is pulled to globally surround the mirror peripheral portion. When the concave portion 10 was formed, the intensity unevenness was also shifted to the beam peripheral portion, and the filament formation was more remarkable in the peripheral portion, and a high-density filament 20 was formed (see FIG. 14). From this, the formation position of the global recess 10 formed on the surface of the reflection mirror 5 without changing the position of the local projection (or recess) 9 that becomes the starting point of filament generation on the surface of the reflection mirror 5 It was revealed that the position where the filament is formed remarkably and the position where the high-density filament is formed can be controlled by controlling.

したがって、このフィラメントは、例えば放電経路のコントロールに応用することができる。また、フィラメントを用いた伝播は屈折率の非線形効果を伴うために多波長でかつ連続なスペクトルとなり、大気環境計測などにおいて多種多様な測定種に対し同時計測にも応用できる。また、高密度のガス中で超短パルスレーザービームLを伝播させる場合、大気中で伝播させる場合と比べてプラズマの発生がより顕著である。フィラメントには超高強度のレーザー電場が局在しているため、発生したプラズマとレーザー電場との相互作用により電子を加速させることが可能となる。また、発生したプラズマを光増幅媒質とした場合は誘電放出が可能となり、長尺で連続したフィラメントを用いれば増幅効率が向上する。さらに、ガラスなどの固体媒質中に超短パルス高強度レーザーを伝播させる場合でもフィラメントの発生が顕著である。その伝播の際、媒質の組成が変化するために局部的に屈折率や透過率を変化させるなどして微細な加工や改質が可能であり、長尺で連続したフィラメントを用いれば導波路などの加工も容易になると考えられる。   Therefore, this filament can be applied to control of the discharge path, for example. Propagation using a filament is accompanied by a non-linear effect of the refractive index and thus has a multi-wavelength and continuous spectrum, and can be applied to simultaneous measurement for a wide variety of measurement types in atmospheric environment measurement and the like. In addition, when the ultrashort pulse laser beam L is propagated in a high-density gas, the generation of plasma is more remarkable than when it is propagated in the atmosphere. Since an ultrahigh intensity laser electric field is localized in the filament, electrons can be accelerated by the interaction between the generated plasma and the laser electric field. In addition, when the generated plasma is used as an optical amplification medium, dielectric emission is possible, and amplification efficiency is improved by using a long and continuous filament. Furthermore, even when an ultrashort pulse high intensity laser is propagated in a solid medium such as glass, the generation of filaments is remarkable. Since the composition of the medium changes during propagation, it can be finely processed and modified by locally changing the refractive index and transmittance. If a long continuous filament is used, a waveguide, etc. It is thought that the processing of this will be easier.

このことから、前述のレーザー誘雷技術の他、多種同時計測による大気環境計測や、フィラメントを光増幅媒質にして誘導放出させる光増幅、電子を加速させる粒子加速、そして媒質の組成を変化させるレーザー加工などに応用可能である。   Therefore, in addition to the laser-induced lightning technology described above, atmospheric environment measurement using multiple simultaneous measurements, optical amplification that stimulates and emits filaments as an optical amplification medium, particle acceleration that accelerates electrons, and laser that changes the composition of the medium It can be applied to processing.

本実施形態の放電誘導装置1によれば、上述のようなレーザー発振器4と反射ミラー5を使い、超短パルスレーザー光Lを短焦点で集光することにより生じる集光プラズマと、長焦点で集光もしくは平行に照射することにより生じるフィラメントを組み合わせて、レーザー誘雷やレーザーギャップスイッチ等の性能を向上させることができる。より具体的には、集光プラズマとフィラメントとが同時に形成された状態とし、集光プラズマによって放電のトリガーとなる上向きリーダーを生じさせ、その生じた上向きリーダーをフィラメントにより長距離ガイドすることができる。この誘雷手法によれば、避雷針3の先端から生じる上向きリーダーを数十m以上ガイドすることが可能となるためにレーザー誘雷の性能ないしは特性がさらに向上することとなる。   According to the discharge induction device 1 of the present embodiment, using the laser oscillator 4 and the reflection mirror 5 as described above, the condensed plasma generated by condensing the ultrashort pulse laser light L with a short focal point, and the long focal point. Combining filaments produced by condensing or irradiating in parallel can improve the performance of laser induced lightning, laser gap switches, and the like. More specifically, a focused plasma and a filament are formed at the same time, the focused plasma generates an upward leader that triggers discharge, and the generated upward leader can be guided over a long distance by the filament. . According to this lightning strike method, the upward leader generated from the tip of the lightning rod 3 can be guided by several tens of meters or more, so that the performance or characteristics of the laser lightning strike is further improved.

ここで、本明細書で何度か登場する「長距離誘導」(または「長距離ガイド」)について補足的に説明を加えておくと以下のとおりである(図16〜図19参照)。すなわち、プラズマチャネルから上向きリーダーが開始して雷雲2まで進展する場合において、ここでいうリーダーとは放電の前駆現象で、後から生じる放電(レーザー誘雷の場合であれば、図19にある後続雷撃)の道(放電路)を作る働きをする。ちなみに、レーザー誘雷では上向きにリーダーが進展するので「上向きリーダー」と呼ばれている。このリーダーがもう一方の電極(レーザー誘雷の場合であれば雷雲2)に達することが重要で、大まかな計算によると、30〜40m程度リーダーを誘導すれば、あとはかってにリーダーが進展し、雷雲2に達すると考えられている。つまり、まずは避雷針(導電体)3からリーダーを生成させることが重要で、このために集光プラズマを用いている。そして、一旦発生したリーダーを数10m進展させる(誘導する)ためにフィラメントが使えると本発明者は考えている。以上の考えのもと、必要量(例えば30〜40m程度)リーダーを誘導することが本明細書でいう「長距離誘導」である。   Here, a supplementary description of “long distance guidance” (or “long distance guide”) that appears several times in this specification is as follows (see FIGS. 16 to 19). That is, in the case where the upward leader starts from the plasma channel and progresses to thundercloud 2, the leader here is a precursor phenomenon of discharge, and the discharge that occurs later (in the case of laser induced lightning, the successor in FIG. 19). It works to create a road (discharge path). By the way, in laser-induced lightning, the leader progresses upward, so it is called “upward leader”. It is important that this leader reaches the other electrode (Thundercloud 2 in the case of laser-induced lightning). According to a rough calculation, if the leader is guided about 30 to 40m, the leader will progress in the future. It is thought to reach thundercloud 2. That is, first, it is important to generate a leader from the lightning rod (conductor) 3, and for this purpose, focused plasma is used. The inventor believes that the filament can be used to advance (guide) the leader once generated by several tens of meters. Based on the above idea, guiding a necessary amount (for example, about 30 to 40 m) of a leader is “long-distance guidance” in this specification.

また、本明細書でいう「超短パルスレーザー光」は現時点で定義が明らかでない部分もあるが、大気中において十分に長いフィラメントを生成するに足る程度にパルスが短いレーザー光がおよそ該当する。このような超短パルスレーザー光としては、特に超短パルス高強度レーザー光が望ましい。この超短パルス高強度レーザー光とは、通常、ピコ秒以下のパルス幅でテラワット以上のピーク(瞬時)出力を有するレーザーのことである。この場合には、レーザー媒質としてチタンサファイアレーザーやガラスレーザーを使い、チャープパルス増幅という手法を使ってパルスエネルギを増幅することがある。   Further, the definition of “ultrashort pulse laser light” in this specification is not clear at this point, but laser light having a short pulse to the extent that a sufficiently long filament is generated in the atmosphere is roughly applicable. As such an ultrashort pulse laser beam, an ultrashort pulse high intensity laser beam is particularly desirable. The ultrashort pulse high-intensity laser beam is a laser having a peak (instantaneous) output of terawatt or more with a pulse width of picosecond or less. In this case, a titanium sapphire laser or a glass laser may be used as a laser medium, and the pulse energy may be amplified using a technique called chirp pulse amplification.

なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば本実施形態では新規な放電誘導技術をレーザー誘雷に適用する場合を例に説明したが、同様の放電誘導手法は例えば長ギャップ放電スイッチ、レーザートリガー式ギャップスイッチ等にも適用可能である。ちなみに、レーザー誘雷に適用した本実施形態においては放電を生じる電極2の具体例が雷雲であり、導電体3の具体例が避雷針だったわけであるが、適用例に応じてこれら電極2や導電体3の具体例が種々のものとなり得ることはいうまでもない。   The above-described embodiment is an example of a preferred embodiment of the present invention, but is not limited thereto, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention. For example, in the present embodiment, the case where a novel discharge induction technique is applied to laser induced lightning has been described as an example, but the same discharge induction technique can be applied to, for example, a long gap discharge switch, a laser trigger type gap switch, and the like. Incidentally, in the present embodiment applied to laser induced lightning, a specific example of the electrode 2 that generates discharge is a thundercloud, and a specific example of the conductor 3 is a lightning rod. It goes without saying that specific examples of the body 3 can be various.

また、上述した実施形態では図2〜図14を用いて大気中にフィラメントを生成させる場合の好適な形態を説明した。ここでは、図6(A)に示すような1枚の薄肉反射鏡による可変形ミラー5を用いて局部的凸部(または凹部)9と大域的凹部10とを形成しフィラメント発生の起点を生成する工程と、超短パルスレーザービームLのエネルギあるいは周辺の強度斑を中心の強度斑の周りに集合させる工程とを同時に実施させる例を挙げて主に説明したが、局部的凸部(または凹部)9を有する第1のミラー5’と大域的凹部10を有する第2のミラー5”との少なくとも2枚のミラーを光路上で組み合わせ、上述の2つの工程を別々の反射ミラー5で前後させて実施することも可能である(図6(B)参照)。これによっても、反射ビーム断面の任意の部位に任意の密度のフィラメントを生成させたり、あるいは大域的凹部10の形成位置を制御することによりフィラメントの生成位置を任意に制御することも可能である。   Further, in the above-described embodiment, the preferred form in the case of generating a filament in the atmosphere has been described with reference to FIGS. Here, a local convex portion (or concave portion) 9 and a global concave portion 10 are formed by using a deformable mirror 5 made up of a single thin reflector as shown in FIG. 6A to generate a starting point of filament generation. In the above, an example in which the process of collecting and the process of aggregating the energy of the ultrashort pulse laser beam L or peripheral intensity spots around the central intensity spot is given as an example. ) Combine at least two mirrors of the first mirror 5 ′ having 9 and the second mirror 5 ″ having the global recess 10 on the optical path, and the above two steps are moved back and forth by the separate reflecting mirrors 5. (Refer to FIG. 6B.) This also generates a filament of an arbitrary density at an arbitrary part of the cross section of the reflected beam, or controls the position where the global recess 10 is formed. thing It is also possible to arbitrarily control the more generation position of the filament.

また、上記のように局部的凸部(または凹部)9を有する第1のミラー5’と大域的凹部10を形成する第2のミラー5”とを組み合わせてフィラメントを形成する装置の場合、第1のミラー5’の局部的凸部(または凹部)9と第2のミラー5”の大域的凹部10は共に変位または変形しない固定的構成としても良いが、それぞれ可動的な構成としても良い。例えば、図15に示すように、超短パルスレーザービームLの光路上に局部的凸部9を有する第1の反射ミラー5’とビーム断面の局部的凸部9の周りに相当する位置に大域的な凹部10を形成する可変形ミラーから成る第2の反射ミラー5”を配置し、超短パルスレーザービームLがこれら第1及び第2のミラー5’,5”間を経由して反射する間に、ビーム断面の任意の部位に強度斑を作ってその周りあるいは複数形成された強度斑のうちの任意の1つあるいは複数の強度斑の周りに超短パルスレーザービームLのエネルギあるいは周辺の強度斑を集合させるようにすることも可能である。ここで、第1の反射ミラー5’と第2の反射ミラー5”とは独立して制御可能とできるので、第1の反射ミラー5’をX−Y方向に制御可能とすることにより反射面に形成した局部的凸部9のビーム断面上における位置を変更することができる。また、可変形ミラーから成る第2の反射ミラー5”は、可変形ミラーの背面側にそれぞれ独立制御可能な複数のアクチュエータ6を備えているので、アクチュエータ6の駆動により反射面を任意の曲率の大域的凹部10としたり、あるいは大域的凹部10の曲率中心位置、形状などを制御して、ビーム断面におけるフィラメントの形成位置、強度、密度などを自在に制御できる。また、第1の反射ミラー5’は、場合によっては局部的凸部9が異なる位置に形成された別のミラーを用意しておき、これを交換することによって局部的凸部(あるいは凹部)9の位置を変更可能とすることもある。   In the case of an apparatus for forming a filament by combining the first mirror 5 ′ having the local convex portion (or concave portion) 9 and the second mirror 5 ″ forming the global concave portion 10 as described above, The local convex portion (or concave portion) 9 of the first mirror 5 ′ and the global concave portion 10 of the second mirror 5 ″ may be fixedly fixed so as not to be displaced or deformed, but may be movable. For example, as shown in FIG. 15, the first reflection mirror 5 ′ having the local convex portion 9 on the optical path of the ultrashort pulse laser beam L and the global position at a position corresponding to the local convex portion 9 in the beam cross section. A second reflecting mirror 5 ″ composed of a deformable mirror forming a concave portion 10 is arranged, and the ultrashort pulse laser beam L is reflected between the first and second mirrors 5 ′ and 5 ″. In the meantime, the intensity of the ultrashort pulse laser beam L or the surroundings is created around any one or more of the intensity spots formed around the spot by creating an intensity spot at any part of the beam cross section. It is also possible to collect intensity spots. Here, since the first reflecting mirror 5 ′ and the second reflecting mirror 5 ″ can be controlled independently, the first reflecting mirror 5 ′ can be controlled in the XY direction by reflecting the reflecting surface. It is possible to change the position of the local convex portion 9 formed on the beam cross section on the beam cross section.The second reflecting mirror 5 ″ made of the deformable mirror has a plurality of independently controllable elements on the back side of the deformable mirror. Therefore, the actuator 6 is driven to make the reflecting surface a global concave portion 10 having an arbitrary curvature, or by controlling the central position and shape of the curvature of the global concave portion 10 so that the filament in the beam cross section can be controlled. The formation position, strength, density, etc. can be freely controlled. In addition, as the first reflecting mirror 5 ′, another mirror in which the local convex portion 9 is formed at a different position is prepared in some cases, and the local convex portion (or concave portion) 9 is replaced by replacing this mirror. The position of can be changed.

また、上記実施形態においては可変形ミラー5の裏面にロッド13を接着剤17で直に接着した構造が示されたが、アクチュエータ6の駆動素子そのものあるいは駆動素子に固着された部材の先端部を直にミラー裏面に接着し、可変形ミラー5をアクチュエータ6で直接担持することもできる。   In the above-described embodiment, the structure in which the rod 13 is directly bonded to the back surface of the deformable mirror 5 with the adhesive 17 is shown. However, the driving element itself of the actuator 6 or the tip of the member fixed to the driving element is attached. The deformable mirror 5 can also be directly supported by the actuator 6 by directly bonding to the back surface of the mirror.

以上、ここまで説明したのが大気中に生成したフィラメントと高密度プラズマとを用いたいわばハイブリッド型の誘雷を行う場合についてである。この誘雷技術につき、本発明者は特性を確認すべく誘雷実験を行った。以下にこのハイブリッド型の誘雷実験の様子を実施例として説明しておく(図20〜図23参照)。   In the above, what has been described so far is the case of performing a so-called hybrid type lightning strike using filaments generated in the atmosphere and high-density plasma. With respect to this lightning strike technology, the present inventor conducted a lightning strike experiment to confirm the characteristics. The hybrid lightning experiment will be described below as an example (see FIGS. 20 to 23).

図20に、本発明に関連して本発明者が行った実験結果の一例を示す。この時、間隔1mの電極間に直流電圧400kVを印加し、パルス幅約70フェムト秒、パルスエネルギ約200mJのレーザー光を、焦点距離10mの凹面ミラーを用いて集光した。この時、レーザー光の焦点位置は図中向かって左側に見える高電圧電極のほぼ先端であり、高電圧電極位置におけるレーザービームプロファイルを観察すると直径3mm程度に集光されており、フィラメントは観察されなかった。一方、図中向かって右側にある接地電極の先端付近においてはビーム中に複数のフィラメントが観察された。なお、図20に示した放電の写真撮影は露光時間を数秒以上かけて撮っており、その間直流電圧は印加された状態であるため、絶縁破壊後の放電が動き、写真に見られるように放電が上下に波打つように観察されている。従って実際の絶縁破壊は、放電の上側または下側に観察される直線状の部分と考えられる。この直線状の部分を観察すると、一直線ではなく階段状になっていることが分かる。これより、最初の放電進展は複数のフィラメントの間をホップするように進んだと考えられる。この場合の放電の極性は正極性であり、上述のように、放電誘導の難しい直流正極性の放電誘導に成功した。この実験において、レーザー光の集光ミラー(反射ミラー)の位置を動かしてレーザー光の焦点位置をずらした場合、放電誘導特性は極端に低下した。また、焦点距離20mの集光ミラーを用いた場合、電極に対するレーザー光の焦点位置をどこに設定しても全く放電誘導しなかった。一般に集光ミラーの焦点距離を長くすると集光点におけるビーム径は大きくなる。従って、焦点距離20mの集光ミラーを用いた場合、焦点距離10mの集光ミラーを用いた場合に比べて集光点におけるビーム径が大きくなり、それによりプラズマ密度が小さくなり、放電をトリガーしなかったと考えられる。以上の結果より、直流正極性の放電誘導を行うためには、本実験条件では、焦点距離10m以下の短焦点のミラーを用いて、電極付近にレーザー光を集光することが重要であるという結論に至った。   FIG. 20 shows an example of the results of experiments conducted by the inventor in connection with the present invention. At this time, a DC voltage of 400 kV was applied between the electrodes with an interval of 1 m, and a laser beam with a pulse width of about 70 femtoseconds and a pulse energy of about 200 mJ was collected using a concave mirror with a focal length of 10 m. At this time, the focal position of the laser beam is almost the tip of the high-voltage electrode seen on the left side in the figure, and when the laser beam profile at the high-voltage electrode position is observed, it is condensed to a diameter of about 3 mm, and the filament is observed. There wasn't. On the other hand, a plurality of filaments were observed in the beam near the tip of the ground electrode on the right side in the figure. In addition, since the photography of the discharge shown in FIG. 20 is taken with an exposure time of several seconds or more, and the DC voltage is applied during that time, the discharge after the dielectric breakdown moves and the discharge is seen as seen in the photograph. Has been observed to wave up and down. Therefore, the actual breakdown is considered to be a linear portion observed on the upper side or the lower side of the discharge. When this linear part is observed, it turns out that it is not a straight line but a step shape. From this, it is considered that the first discharge progresses so as to hop between a plurality of filaments. The polarity of the discharge in this case is positive, and as described above, the DC positive polarity discharge induction, which is difficult to induce discharge, has been successfully achieved. In this experiment, when the position of the laser beam condensing mirror (reflection mirror) was moved to shift the focal position of the laser beam, the discharge induction characteristics were extremely deteriorated. In addition, when a condensing mirror with a focal length of 20 m was used, no discharge was induced no matter where the focal position of the laser beam with respect to the electrode was set. In general, when the focal length of the condenser mirror is increased, the beam diameter at the focal point is increased. Therefore, when using a condensing mirror with a focal length of 20 m, the beam diameter at the condensing point is larger than when using a condensing mirror with a focal length of 10 m, thereby reducing the plasma density and triggering discharge. Probably not. From the above results, in order to perform DC positive polarity discharge induction, it is important to focus laser light near the electrode using a short focus mirror with a focal length of 10 m or less in this experimental condition. I came to a conclusion.

以上の結果より本実験においては、焦点距離10mのミラーを用いて生成された集光プラズマにより直流正極性電極から放電がトリガーされ、生成したリーダーが集光前に生成しているフィラメントに沿って伝播して負極性電極に達し、最終的に絶縁破壊に至ったと考えられる。   From the above results, in this experiment, the discharge was triggered from the DC positive electrode by the focused plasma generated using a mirror with a focal length of 10 m, and the generated reader was along the filament generated before focusing. Propagated and reached the negative electrode, and it was thought that it finally reached dielectric breakdown.

しかし、焦点距離10mのミラーで集光した場合フィラメントの生成する距離は短かった。超短パルスレーザーを集光した時の放電誘導に寄与するプラズマ長を測定した実験に関して、図21〜図23を用いて説明する。   However, when the light is collected by a mirror with a focal length of 10 m, the distance generated by the filament is short. An experiment in which the plasma length contributing to the discharge induction when the ultrashort pulse laser is focused will be described with reference to FIGS.

本発明者らは、フィラメントの伝播経路に沿った直流放電誘導特性の変化を測定し、集光焦点距離や伝播距離との関係を調べた。実験系を図21に示す。パルス幅70フェムト秒、パルスエネルギ約240mJの超短パルスレーザー光を焦点距離10mおよび20mmの凹面鏡(図21において符号5で示している)で集光してフィラメントを生成した。直径5cm、ギャップ長4cmの球−球電極間にレーザー光を伝播させて直流電界を加え、レーザー光に沿った絶縁破壊電圧の変化を測定した。   The inventors of the present invention measured changes in the DC discharge induction characteristics along the propagation path of the filament, and investigated the relationship with the focal length of focus and the propagation distance. The experimental system is shown in FIG. An ultrashort pulse laser beam having a pulse width of 70 femtoseconds and a pulse energy of about 240 mJ was collected by a concave mirror (indicated by reference numeral 5 in FIG. 21) having a focal length of 10 m and 20 mm to generate a filament. A laser beam was propagated between a sphere electrode having a diameter of 5 cm and a gap length of 4 cm to apply a DC electric field, and a change in dielectric breakdown voltage along the laser beam was measured.

図22に、凹面鏡からのレーザー光伝播距離に対するレーザー照射による絶縁破壊電圧の低下の変化を示す。絶縁破壊電圧の低下は、レーザーを照射しない時の絶縁破壊電圧(V0)に対するレーザー照射時の絶縁破壊電圧(VL)の比から求めた。集光前のレーザー光は若干発散しており、焦点距離20mの凹面鏡を用いて集光した時、凹面鏡から13.5m伝播した地点よりレーザー照射による絶縁破壊電圧の低下が観測された。その後、凹面鏡からの伝播距離15.5m〜21.5mの間で約6mに渡って絶縁破壊電圧の低下は約20%であった。レーザー光が21.5m伝播後、レーザー照射による絶縁破壊電圧の低下は小さくなり、25.5m地点では約10%となった。以上の結果は、10m以上に渡り放電誘導効果を有するプラズマチャネルが生成していることを示している。 FIG. 22 shows changes in the breakdown voltage drop due to laser irradiation with respect to the laser beam propagation distance from the concave mirror. The decrease in breakdown voltage was determined from the ratio of the breakdown voltage (V L ) during laser irradiation to the breakdown voltage (V 0 ) when no laser was irradiated. Before condensing, the laser beam was slightly divergent, and when the light was collected using a concave mirror with a focal length of 20 m, a decrease in dielectric breakdown voltage due to laser irradiation was observed from the point where it propagated 13.5 m from the concave mirror. Thereafter, the breakdown voltage drop was about 20% over about 6 m between the propagation distances from the concave mirror of 15.5 m to 21.5 m. After the laser beam propagated 21.5m, the decrease in breakdown voltage due to laser irradiation became small, and it was about 10% at the 25.5m point. The above results show that a plasma channel having a discharge inducing effect is generated over 10 m or more.

図23に、凹面鏡からのレーザー光伝播距離に対するレーザービームプロファイルの変化を示す。ビームプロファイル中に観測される明るく見える点がフィラメントである。レーザー照射による絶縁破壊電圧の低下がない伝播距離11.5mの地点ではフィラメントは観測されず、絶縁破壊電圧が低下する15.5m以降の地点においてマルチフィラメントが観測された。また、焦点距離10mの凹面鏡を用いて集光した場合、焦点距離20mの凹面鏡を用いた場合と同様絶縁破壊電圧の低下は最大約20%であった。しかし、図22から分かるように、焦点距離10mの凹面鏡を用いた場合放電誘導に寄与するプラズマ長は焦点距離20mの凹面鏡を用いる場合に比べ、半分以下になっていた。   FIG. 23 shows the change of the laser beam profile with respect to the laser light propagation distance from the concave mirror. The point that appears bright in the beam profile is the filament. No filament was observed at the point of propagation distance 11.5m where there was no decrease in breakdown voltage due to laser irradiation, and multifilament was observed at a point after 15.5m where the breakdown voltage decreased. In addition, when the light was collected using a concave mirror having a focal length of 10 m, the maximum breakdown voltage drop was about 20%, as in the case of using a concave mirror having a focal length of 20 m. However, as can be seen from FIG. 22, when a concave mirror with a focal length of 10 m is used, the plasma length contributing to discharge induction is less than half that when a concave mirror with a focal length of 20 m is used.

以上の実験結果より、放電誘導特性を向上するためには、超短パルスレーザー光を、短焦点の集光ミラーを用いて集光して高密度の集光プラズマを生成し、これを用いて放電をトリガーし、長焦点で集光するかまたは平行に照射することにより生成する長尺のフィラメントを用いて放電をガイドする方法が効果的であると考えるに至った。ただし、10m程度のギャップ長の放電誘導においては、上述の実験結果のように、単に焦点距離10m程度のミラー一つを用いて上述の実験配置に設定することにより、簡便に効果的な放電誘導が可能となる。   Based on the above experimental results, in order to improve the discharge induction characteristics, ultra-short pulse laser light is condensed using a short-focus condenser mirror to generate a high-density focused plasma. It came to be considered effective to guide the discharge using a long filament generated by triggering the discharge and condensing at a long focal point or irradiating in parallel. However, in the discharge induction with a gap length of about 10 m, as shown in the above experimental results, simply setting the above experimental arrangement using only one mirror with a focal length of about 10 m enables effective and effective discharge induction. Is possible.

本発明にかかるハイブリッドレーザーを利用した放電誘導方法および装置をレーザー誘雷に適用した場合の一実施形態を説明する図である。It is a figure explaining one Embodiment at the time of applying the discharge induction method and apparatus using a hybrid laser concerning the present invention to laser induced lightning. 超短パルスレーザービームのフィラメント制御装置の形態を示す概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing which shows the form of the filament control apparatus of an ultrashort pulse laser beam. 本実施形態の可変形ミラーの正面図(反射面側)である。It is a front view (reflecting surface side) of the deformable mirror of this embodiment. ミラーの反射面における局部的凸部と大域的凹部との関係を示す原理図である。It is a principle figure which shows the relationship between the local convex part in the reflective surface of a mirror, and a global recessed part. 超短パルスレーザービームの反射の前後における波面の変化を示す説明図であり、(A)は入射するビーム波面、(B)〜(D)は局部的凸部を有する反射面で反射したビーム波面の経時変化を示す。It is explanatory drawing which shows the change of the wave front before and behind reflection of an ultrashort pulse laser beam, (A) is an incident beam wavefront, (B)-(D) is a beam wavefront reflected by the reflective surface which has a local convex part. The time-dependent change of is shown. フィラメント形成方法を実施する例を示す原理図であり、(A)は1枚のミラーで局部的凸部と大域的凹部を実現する例、(B)は2枚の反射ミラーを組み合わせて局部的凸部と大域的凹部を実現する例をそれぞれ示す。It is a principle figure which shows the example which implements the filament formation method, (A) is an example which implement | achieves a local convex part and a global recessed part with one mirror, (B) is a local combining two reflection mirrors. Examples of realizing a convex part and a global concave part are shown respectively. 厚さ6mmの可変形ミラーの表面形状を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the surface shape of the deformable mirror of thickness 6mm. 厚さ3mmの可変形ミラーの表面形状を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the surface shape of a deformable mirror of thickness 3mm. 可変形ミラーをアクチュエータでミラー表面側へ押して隆起変形させた場合の表面形状を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the surface shape at the time of pushing and deforming a deformable mirror to the mirror surface side with an actuator. 実施形態の可変形ミラーをアクチュエータでミラー裏面側へ引っ張って窪み変形させた場合の表面形状を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the surface shape at the time of pulling the deformable mirror of embodiment to the mirror back surface side with an actuator, and carrying out a hollow deformation | transformation. 近距離のビーム断面強度を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the beam cross-sectional intensity | strength of short distance. 遠距離のビーム断面強度を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the beam cross-sectional intensity | strength of a long distance. 可変形ミラーをアクチュエータでミラー中央部を引っ張って窪み変形させた場合のビーム断面強度を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the beam cross-sectional intensity | strength at the time of deform | transforming a hollow shape by pulling the center part of a mirror with an actuator. 実施形態の可変形ミラーをアクチュエータでミラー周辺部を引っ張って窪み変形させた場合のビーム断面強度を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the beam cross-sectional intensity | strength at the time of deform | transforming a hollow shape by pulling the mirror peripheral part with the actuator of the deformable mirror of embodiment. 2枚の反射ミラーを組み合わせて局部的凸部と大域的凹部を実現する例の原理図である。It is a principle figure of the example which implement | achieves a local convex part and a global recessed part by combining two reflective mirrors. レーザー誘雷を行う場合の概念を示す図の一つで、雷雲が発生して接近し、避雷針の先端においてコロナ放電が生じる様子を表したものである。It is one of the diagrams showing the concept for laser induced lightning. It shows how thunderclouds are generated and approached, and corona discharge occurs at the tip of a lightning rod. レーザー誘雷を行う場合の概念を示す図の一つで、レーザー発振器から照射したレーザー光が反射ミラーからなる光学系を経由し、これに伴って避雷針の先端から上空へ向かってプラズマが生じている様子を表したものである。This is one of the diagrams showing the concept of laser-induced lightning. Laser light emitted from a laser oscillator passes through an optical system consisting of a reflection mirror, and as a result, plasma is generated from the tip of the lightning rod to the sky. It shows how you are. レーザー誘雷を行う場合の概念を示す図の一つで、プラズマチャネルから上向きのリーダーが生じて雷雲まで進展した様子を表したものである。It is one of the diagrams showing the concept of laser-induced lightning. It shows how an upward leader is generated from the plasma channel and progresses to the thundercloud. レーザー誘雷を行う場合の概念を示す図の一つで、雷雲中の電荷が避雷針を伝って地上に流れる様子を表したものである。It is one of the diagrams showing the concept of laser-induced lightning. It shows how electric charges in a thundercloud flow through the lightning rod to the ground. ハイブリッドレーザーを用いた誘雷の模擬実験の様子を示す画像である。It is an image which shows the mode of the simulation experiment of the induced lightning using a hybrid laser. 実施例におけるフィラメント伝播特性実験系を示す図である。It is a figure which shows the filament propagation characteristic experimental system in an Example. 実施例において、凹面鏡からのレーザー光伝播距離に対する、レーザーを照射しない時の絶縁破壊電圧(V0)に対するレーザー照射時の絶縁破壊電圧(VL)の比およびフィラメントからの音波強度の変化を示すグラフである。In the examples, the ratio of the breakdown voltage (V L ) at the time of laser irradiation to the breakdown voltage (V 0 ) at the time of not irradiating the laser with respect to the propagation distance of the laser beam from the concave mirror and the change in the sound intensity from the filament It is a graph. レーザー光伝播時におけるレーザービームプロファイルの変化を示す画像であり、それぞれ、凹面鏡からの伝播距離が(a)11.5m、(b)15.5m、(c)19.5m、(d)23.5mの場合である。It is an image showing the change of the laser beam profile during laser light propagation, and the propagation distance from the concave mirror is (a) 11.5m, (b) 15.5m, (c) 19.5m, (d) 23.5m, respectively. is there.

符号の説明Explanation of symbols

1 放電誘導装置
2 雷雲(電極)
3 避雷針(導電体)
4 レーザー発振器
5 反射ミラー
9 局部的な凸部または凹部
10 大域的凹部
1 Discharge induction device 2 Thundercloud (electrode)
3 Lightning rod (conductor)
4 Laser oscillator 5 Reflecting mirror 9 Local convex portion or concave portion 10 Global concave portion

Claims (12)

電極からの放電をレーザー光を利用して導電体へと誘導するためのレーザーを利用した放電誘導方法において、超短パルスレーザー光を前記導電体の先端に向けて照射し、当該超短パルスレーザー光を短焦点で集光することにより生成する高密度プラズマを用いて前記導電体から前記電極へ向けて延びるリーダーを誘起するとともに、他の超短パルスレーザー光を前記電極に向けて照射し、当該他の超短パルスレーザー光を長焦点で集光することにより生成するフィラメントを用いて前記リーダーを長距離誘導することを特徴とするハイブリッドレーザーを利用した放電誘導方法。   In a discharge induction method using a laser for inducing a discharge from an electrode to a conductor using a laser beam, an ultrashort pulse laser beam is irradiated toward the tip of the conductor, and the ultrashort pulse laser Inducing a leader extending from the conductor toward the electrode using high-density plasma generated by condensing light at a short focal point, and irradiating the electrode with another ultrashort pulse laser beam, A discharge induction method using a hybrid laser, wherein the reader is guided for a long distance using a filament generated by condensing the other ultrashort pulse laser beam with a long focal point. 前記超短パルスレーザー光を集光する反射ミラーとして部分的に焦点距離を異ならせる多重焦点反射ミラーを用いることにより、前記超短パルスレーザー光の一部を短焦点で集光するとともに残りを長焦点で集光することを特徴とする請求項1に記載のハイブリッドレーザーを利用した放電誘導方法。   By using a multifocal reflection mirror that partially varies the focal length as a reflection mirror that condenses the ultrashort pulse laser beam, a portion of the ultrashort pulse laser beam is condensed at a short focal length and the rest is long. 2. The discharge induction method using a hybrid laser according to claim 1, wherein the light is condensed at a focal point. 前記超短パルスレーザー光を集光する反射ミラーとして焦点距離の短いミラーと焦点距離の長いミラーとを別々に用い、前記超短パルスレーザー光の一部を前記一方の反射ミラーにて短焦点で集光するとともに残りを前記他方の反射ミラーにて長焦点で集光することを特徴とする請求項1に記載のハイブリッドレーザーを利用した放電誘導方法。   A mirror with a short focal length and a mirror with a long focal length are separately used as a reflection mirror for condensing the ultrashort pulse laser beam, and a part of the ultrashort pulse laser beam is short-focused with the one reflection mirror. The discharge induction method using a hybrid laser according to claim 1, wherein the remaining light is condensed and the remaining light is condensed at a long focal point by the other reflection mirror. 前記反射ミラーは局部的な凸部または凹部を有するものであり、この反射ミラーを用いて前記フィラメントを生成しかつ制御することを特徴とする請求項2または3に記載のハイブリッドレーザーを利用した放電誘導方法。   The discharge using the hybrid laser according to claim 2 or 3, wherein the reflection mirror has a local convex portion or a concave portion, and the filament is generated and controlled using the reflection mirror. Guidance method. 前記反射ミラーは、前記局部的な凸部または凹部に比して大域的である大域的凹部を当該局部的な凸部または凹部の周りに備えているものであり、この反射ミラーを用いて前記フィラメントを生成しかつ制御することを特徴とする請求項4に記載のハイブリッドレーザーを利用した放電誘導方法。   The reflection mirror is provided with a global concave portion around the local convex portion or concave portion, which is global compared to the local convex portion or concave portion. 5. The discharge induction method using a hybrid laser according to claim 4, wherein the filament is generated and controlled. 前記反射ミラーとして、表面形状を変化させることができる表面形状可変反射ミラーを用いることを特徴とする請求項4または5に記載のハイブリッドレーザーを利用した放電誘導方法。   The discharge induction method using a hybrid laser according to claim 4 or 5, wherein a surface shape variable reflection mirror capable of changing a surface shape is used as the reflection mirror. 電極からの放電をレーザー光を利用して導電体へと誘導するためのレーザーを利用した放電誘導装置において、前記レーザー光として超短パルスレーザー光を用いこの超短パルスレーザー光を前記導電体の先端に向けて照射し、当該超短パルスレーザー光を短焦点で集光することにより生成する高密度プラズマを用いて前記導電体から前記電極へ向けて延びるリーダーを誘起するとともに、他の超短パルスレーザー光を前記電極に向けて照射し、当該他の超短パルスレーザー光を長焦点で集光することにより生成するフィラメントを用いて前記リーダーを長距離誘導するレーザー発振器を備えることを特徴とするハイブリッドレーザーを利用した放電誘導装置。   In a discharge induction device using a laser for inducing a discharge from an electrode to a conductor using a laser beam, an ultrashort pulse laser beam is used as the laser beam, and the ultrashort pulse laser beam is applied to the conductor. A high-density plasma generated by irradiating toward the tip and condensing the ultrashort pulse laser beam with a short focal point is used to induce a leader extending from the conductor to the electrode, and other ultrashort A laser oscillator that guides the reader over a long distance using a filament that is generated by irradiating the electrode with a pulse laser beam and condensing the other ultrashort pulse laser beam with a long focal point, Discharge induction device using hybrid laser. 前記レーザー光を反射して当該レーザー光の経路を変えるミラーであって部分的に焦点距離の異なる多重焦点型の反射ミラーを備え、前記レーザー発振器から照射される超短パルスレーザー光の一部を前記反射ミラーのうち焦点距離の短いミラー部分で反射・集光するとともに、前記超短パルスレーザー光の残りを前記反射ミラーのうち焦点距離の長いミラー部分で反射することを特徴とする請求項7に記載のハイブリッドレーザーを利用した放電誘導装置。   A mirror that reflects the laser light and changes the path of the laser light, and includes a multifocal reflection mirror that partially differs in focal length, and a part of the ultrashort pulse laser light emitted from the laser oscillator 8. The reflecting mirror is configured to reflect and collect light at a mirror portion having a short focal length, and to reflect the remainder of the ultrashort pulse laser light at a mirror portion having a long focal length among the reflecting mirrors. A discharge induction device using the hybrid laser described in 1. 前記レーザー光を反射して当該レーザー光の経路を変える短焦点の反射ミラーと長焦点の反射ミラーとを備え、前記レーザー発振器から照射される超短パルスレーザー光を前記短焦点の反射ミラーで反射・集光するとともに、他の超短パルスレーザー光を前記長焦点の反射ミラーで反射することを特徴とする請求項7に記載のハイブリッドレーザーを利用した放電誘導装置。   A short focus reflecting mirror that reflects the laser light and changes the path of the laser light, and a long focus reflecting mirror are provided, and the ultrashort pulse laser light emitted from the laser oscillator is reflected by the short focus reflecting mirror. 8. The discharge induction device using a hybrid laser according to claim 7, wherein the laser is condensed and another ultrashort pulse laser beam is reflected by the long focal reflection mirror. 前記反射ミラーは局部的な凸部または凹部を有していて、この反射ミラーを用いることによって前記フィラメントを生成しかつ制御することが可能なものであることを特徴とする請求項8または9に記載のハイブリッドレーザーを利用した放電誘導装置。   10. The reflecting mirror according to claim 8, wherein the reflecting mirror has a local convex portion or a concave portion, and the filament can be generated and controlled by using the reflecting mirror. Discharge induction device using the described hybrid laser. 前記反射ミラーは、前記局部的な凸部または凹部に比して大域的である大域的凹部を当該局部的な凸部または凹部の周りに備えていて、この反射ミラーを用いることによって前記フィラメントを生成しかつ制御することが可能なものであることを特徴とする請求項10に記載のハイブリッドレーザーを利用した放電誘導装置。   The reflecting mirror has a global concave portion around the local convex portion or concave portion, which is global compared to the local convex portion or concave portion, and the filament can be obtained by using the reflective mirror. The discharge induction device using a hybrid laser according to claim 10, wherein the discharge induction device can be generated and controlled. 前記反射ミラーは、その表面形状を変化させることができる表面形状可変反射ミラーであることを特徴とする請求項10または11に記載のハイブリッドレーザーを利用した放電誘導装置。


12. The discharge induction device using a hybrid laser according to claim 10, wherein the reflection mirror is a surface shape variable reflection mirror that can change a surface shape thereof.


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