JPH08501406A

JPH08501406A - 紫外線レーザパルスによる雷の放電

Info

Publication number: JPH08501406A
Application number: JP5510210A
Authority: JP
Inventors: ディールズ，ジーン−クラウド; ツアオ，シン，ミアオ; イー，カオ，ヤン
Original assignee: ユニバーシテイオブニューメキシコ
Priority date: 1991-12-05
Filing date: 1992-11-30
Publication date: 1996-02-13
Also published as: EP0612443A1; EP0612443A4; EP0612443B1; US5175664A; DE69229123T2; DE69229123D1; WO1993011594A1; ATE179840T1

Abstract

(57)【要約】空間電荷の形成を防止するための、大気中で、静電気或いは雷を放電せしめる配置（１１〜２０）は、大気中の電界強度を低減するものであり、それは、本質的に紫外線範囲内の波長の１つ以上のレーザパルス（１１）を、大気中で電気伝導イオン化チャンネルを作るに十分な継続時間で、通路を通して、伝達し、そして、同時に、紫外線パルスより長い波長の１つ以上の第２のレーザパルス（１３）を、チャンネルの伝導率が大気中に雷が生じるに十分に長い時間保持するように、前記通路を通して、伝達することによる。

Description

【発明の詳細な説明】紫外線レーザパルスによる雷の放電本発明は、空軍省との交渉のもとに行なわれたもので、アメリカ合衆国政府は、それについての権利を有する。発明の技術分野本発明は、照射を通しての雷を誘発せしめる分野中のことであり、特に、空港及びロケット打ち上げ地域の保護を可能にするレーザに関し、そして、農業地域でのアラレの防止と低減に関する。発明の背景分野７０年代中期に、大気中を通して強力な赤外線レーザビームを送ることにより雷を誘発する試みが行なわれた［Jr．C．W．Schubert．The Laser Lightning Ro d System:a Feasibility Study．Technical Report AFFDL-TR-78-60，Air Forc e Flight Dynamics Laboratory，1977参照］。これらのレーザは長波長であるために、空気をイオン化するには、１００−フォトンかかったようだ。然し乍ら、強力なレーザビームの電界では、空気のアバランチェ（ナダレ）イオン化を形成するに十分であり、プラズマになった。この形成された緻密なプラズマは、ビームに対して不透明であるので、この方法は失敗した、更に、レーザ照射の伝搬を防止した。地上と雲との間の雷は、空間電荷イオンのスピードより速いスピードで、自然に生じる空間電荷層の上に、地上への伝導通路を挿入することにより、誘発できる。これが発生したとき、空間電荷が、もはや伝導路のチップでの電界を低減させることができなかった、そのために、チップでの高められた電界は、破壊を開始せしめるに十分に大きくでき、その結果、地上から雲への伝搬が得られた。多数の研究者が、小さいロケットを点火し、地上ワイアを引き上げることにより雷を誘発せしめるこの原理を利用していた。［M．M．Newman，J．R．Stahmann，J ．D．R obb，E．A．Lewis，S．G．Martin，とS．V．Zinn，Triggered lightnin g at close r ange．J．Geophys．Res．，72，1967］。この方法の成功率は、約５０％だけである。ロケットのスピードは、常に、雲とロケットの間の電界を低減するように、空間電荷の形成の防止には十分とは限らない。最終的に、ロケットは、レーザが可能なようには連続的に上げることができない。発明の概要本発明によると、イオン化された酸素と窒素＋電子−イオン化チャンネルを作成する−１以上の高エネルギーフエムト秒のＵＶパルスにより、そして、同時に、長波長（例えば、可視範囲）で、継続時間の１以上のレーザパルスを同じ経路を通して、送り、通路の伝導性を、雷が生じるに十分な時間保持する（長い波長の秒パルスは、Ｏ₂ ^-或いはＯ^-として捕獲された電子を脱着する）ことにより、雷を誘発せしめる。この技術は、図１の説明図に示され、フェムト秒（ｆｓ）ＵＶパルス（実線）及び、より長く、可視レーザパルス（ダッシュ線）を運ぶレーザビームを用いる地上−対−雲の雷の誘発を示している。両方のパルスとも、１０Ｈｚの最小の繰り返し速度により、放電（即ち、雷の誘発）のための好適な通路は、すべての時間で保持される。フェムト秒ＵＶパルスが、周波数変調で形成され、大気中に伝搬されると、圧縮されるものである。この圧縮の目的は、ピーク強度を上げて、パルスが、大気中を伝搬するにつれて生じる損失を補填するためである。本発明の配置は、同様に、雲（雲中の雷）中、静電の内部放電にも適用される。１以上のフェムト秒ＵＶパルス連続と１以上のより長い（ナノ秒乃至マイクロ秒）の可視パルスにより、伝導（イオン化された）チャンネルが、雲の基礎と項点との間に作られた場合に、雲中の放電が行なわれる。雲を通して、清浄な（透明な）光学的経路を形成するために、上記のパルスは、強い赤外線の、長いレーザパルス（ＣＯ₂レーザにより作られるような）を先行させるべきであり、それにより、雲中の水滴を蒸発させる。これは、図２に示され、ｆｓＵＶレーザ（実線）を有するビームは、２つの他のビーム；即ち、より長く、且つ可視範囲のレーザパルス（ダッシュ線）と、より長いＣＯ₂レーザビーム（点線）を伴う。図面の簡単な説明本発明を、添付の図面を参照して、より詳細に説明する。図１は、本発明の具体例により、地上一対−雲の間の雷を誘発せしめる概要説明図である。図２は、本発明の具体例により、雲内での雷の誘発を示す概要説明図である。図３は、本発明による、波伝達に伴うパルス圧縮機構を示す図である。図４は、本発明による、レーザ源の形状を、（波形図とともに）、示す概要ブロック図である。図５は、本発明により、光学的パルスストレッチングの概要図である。発明の詳細な説明雷の誘発ができる適当な励起を与えるために、本発明を実施するについて、考慮すべきいくつかのキイ点がある。その１つは、図１及び２に関して、上記に説明した短い継続時間のレーザパルスについて、最適な紫外線波長を選択することである。短い継続時間のレーザパルスの最適な紫外線波長は、空気中の窒素及び酸素をイオン化する３つ或いは４つ以下のフォトンを必要とするものである。２４８ｎｍの波長は、好適な選択であり、それは、酸素に対して３つのフォトンと窒素に対して４つのフォトンが、その波長において、窒素と酸素をイオン化できるからであり、出力があり、効率的なレーザ及びレーザ増幅器（ＫｒＦレーザ）は、その波長のものが市販されている。その代替案として、３０８ｎｍ（ＸｅＣ１）或いは３５０ｎｍ（ＸｅＦ）のエキシマレーザが、窒素と酸素の４つのフォトンイオン化のために使用できる。後者のレーザは、同じレベルのイオン化に達するためには、より高いピーク出力を必要とするが、より良好な大気伝達特性である利点を有する。その他、考察することは、パルス継続時間の選択である。同じエネルギーに対して、短いパルスは、高いピーク強度Ｉを有し、従って、空気を効率的にイオン化する（３フォトンイオン化速度は、Ｉ³に比例し、４フォトン速度は、Ｉ⁴に比例する）。パルス継続時間が、十分に短い（１００フェムト秒のオーダー）と、イオン化パルスを”予備形成”する（相或いは周波数が変調する）ことができ、それにより、空気の拡散特性が、パルス圧縮を起こす（従って、ピーク出力増幅器である）。そのようなパルス相の或いは周波数の変調は、例えば、パルスをダイアモンドを通して伝搬させることにより為される（２４５ｎｍの照射の場合）。このピーク出力増幅器は、作成されるイオン化により、ビームの欠乏を補填する必要がある。相の変調器（例えば、薄膜ダイアモンド結晶である）を通して、パルスを通過させた後、パルスは、周波数変調され、パルス終端よりも、パルス開始点で、より短い波長で伝搬する。これは、図３に示され、本発明により、パルスが非線形結晶（例えば、ダイアモンド）を通して通過させた後、周波数変調されることを示す。時間での周波数スウエープ（掃引）を低減して、空気中の伝搬により、パルス圧縮が得られる。それは、パルスの前面での高い光学的周波数（短い波長）が、パルス後尾を構成する周波数成分よりも、より遅い速度で伝搬するからである。より短い波長で、空気の屈折率が大きくなるので、パルス前面は、パルス後尾よりも、遅く伝搬する。パルス継続時間及び変調を適切に選択すると、最小のパルス継続時間（従って、大きいピーク強度）が、所望の高度で到達される（地上対雲の雷を誘発するためにおよそ１００ｍである）。イオン化パルスを伝達しながら或いはその後に、電子は、酸素に付着し、負のイオンＯ₂ ^-及びＯ^-を形成し、それは、イオンとして、小さ過ぎる移動度を有し、チャンネルの伝導度を効果的に高めるには移動度が小さ過ぎる。本発明による、これに対する解答は、レーザパルスでイオン化チャンネルを照射することであり、それは、これら負イオンからの電荷（即ち、電子）を脱着させる。この方法での好適な波長は、５３０ｎｍであり、それは、第１次レーザ発振器或いは増幅器のどちらかをポンプアップするのに一般的に用いられる周波数２倍化Ｎｄレーザのものである。雷の誘発に関するイオン化により生じた問題は、本発明の課題であり、本発明により解決される解答は、次のように概要される。本発明を実行するための好適な形状は、図４に示される。フラッシュランプ− ポンプされたＮｄレーザ源１１は、Ｑ−スィッチされ、モード−ロックされ、そして、パッシブ負フィードバックにより安定化され、１０ｐｓの継続時間各々、１０６０ｎｍの赤外線波長で、１００〜２００パルスの列を作成する。そのようなフラッシュランプ−ポンプされた赤外線レーザ源は、１〜５０Ｈｚの繰り返し速度で運転される。そのようなレーザの運転は、周知の技術であり、A．Agnesi ， J．C．Diels，P．DiTrapani，V．Kubecek，J．Marek，G．Reali，とC．Y．Ye h．”Passive feedback for stable short pulse generation”，in Mourou Har ris，Ippen及びZewail，editors，Picosecond Phenomena VII，pages 38-40，Sp ringer-Verlag，Berlin，1990の記事に記載される。上記のレーザ源により作成された赤外線パルスは、カリウム−２重水素燐酸塩（”ＫＤＰ”）或いはカリウム３水素燐酸塩（”ＫＴＰ”）の結晶１１ａ中で、周波数が倍化され、ＮＤレーザの製造者により使用される周知の技術により、レーザ１１で作られた１．０６μｍの波長を、５３０ｎｍに変換し、パルス”Ａ” として示され、それは、Ｔｉ：サファイアレーザ１２（波長７４４ｎｍで１００ｆｓ継続時間で連続パルスＢを作る）と同期的に、A．Schmidtのin Optics Comm ，August 1991の記事に説明される周知の方法で、ポンプされる。第２のフラッシュランプ−ポンプされ、Ｑスィッチされた（が、モードロックされていない）Ｎｄレーザ１３は、５３０ｎｍの波長に対して、１１ａと同様な２倍器１３ａにより周波数２倍化されたパルスを作り、そして、１〜１００Ｈｚの繰り返し速度を有するパルスＣを作る。要素１３と１３ａは、クオンタレイスペクトラフィジックス：Quantaray-Spectra Physicsから入手できる”ＤＣＲ−３”レーザ装置を使用することにより、提供される。パルスＣは、Ｔｉ：サファイア増幅器鎖１４をポンプし、ｆｓＴｉ：サファイアレーザ１２により作られたパルスＢ中のエネルギーより大きいエネルギーのパルスＤを提供する。増幅されたパルスＤは、各々１００ｆｓ継続時間であり、これらのパルスは、少なくとも１ｍＪのエネルギーを有する第２のＱ−スィッチされたレーザ１３により作られたパルスＣと同じ繰り返し速度を有する。その後、これらは、３倍化器１５中でパルスを周波数３倍することにより、２４８ｎｍ波長に変換し、適当な周知の方法により、例えば、２つのＫＤＰ結晶或いは１つのＫＤＰ結晶と１つのバリウムベーター硼酸塩結晶（”ＢＢＯ”）の組合わせを使用することにより、各々、１００ｆｓの継続時間で、２４８ｎｍでの１０μＪエネルギーのパルスＥを作る。これらの結晶は、例えば、Quantum Technology in Lake Mary,Florida 等の製造者から、この目的のために、購買することができる。各々、１００ｆｓの継続時間と２４８ｎｍでの１０μＪエネルギーのパルスＥは、ＫｒＦエキシマレーザ１６を通して増幅（２つ以上の通過）のために、送られ、次に、周知の技術、多重通過、エキシマレーザ製造者”Lambda Physik”のエキシマレーザのパンフレットに見られる技術を行ない、約３０−３０ｍＪのエネルギーを有するパルスＦを与える。通路の間に、パルスＥが、周波数変調器１７を通して送られ、パルスに所望の変調周波数を与える（周波数は、パルス時間で、単調に低減する）。変調器１７は、例えば、刊行物：W．Dietel，J．J．Fon taineとJ．C．Diels．”Intracavity pulse compression with glass：a new me thod of generating pulse shorter than 60 femtoseconds”．Optics Letters ，８:4-61983；及びJ．C．Diels．Dye laser principles：with applications， chapter Femtosecond dye lasers，pages 41-131．Academic Press，Boston，19 90に記載されるような飽和性アブソーバのような周知の適当な装置を利用できる。負周波数スウェープでのパルス（終端でのよりも、開始端で、より高い周波数或いはより短い波長）は、ガラス或いは空気のような最も透明な材料中を伝搬するに従って、圧縮される。これは、５００ｆｓ継続時間で、６２０ｎｍの波長の、１０ｃｍのガラスで、５×パルスを圧縮することにより予め提示された。これらの結果は、J．C．Diels．Dye laser principles：with applications，chapte r Femtosecond dye lasers，pages 41〜131．Academic Press，Boston 1990；J ．C．Diels，J．J．Fontaine，I．C．McMichael，とF．Simoni．”Control and measurement of ultrashort pulse shapes（in amplitude and phase）with fem tosecond accuracy．”Applied Optics，24：1270〜1282，1985に記載されている。圧縮は、図３に示されるように、パルスの開始端（より短い波長）で、横方向の媒体の屈折率は、大きく、それは、追跡端よりも速度が遅くなるためであるという事実による。屈折率−周波数或いは波長の標準表に、２４８ｎｍでの１００ｍの空気により、開始端で同様に遅くなることが−パルスの終端と比べて−６２０ｎｍで１０ｃｍのガラスで、遅くなることが、示される。本発明によると、２４８ｎｍの波長での周波数を所望のようにスウィープする好適な媒体は、ダイアモンド結晶である。これは、関心のある波長（２４８ｎｍ）に対して外挿した種々の波長で、変調を測定したことに基づいている。これらの測定は、M．Sheik-Bahae，A．A．Said，及びE．W．VanStryland．”High sens itivity，single beam n₂ measurements．”Opt．Lett．，14，1989に説明されている。ダイアモンドを選択した他の因子は、非線形吸収の測定に基づいおり、即ち、それは、ダイアモンドを通して伝送から得られた周波数変調を計算することができるものである。周波数の変調に用いたダイアモンド結晶１７は、好適な位置に設けられ、エキシマ増幅器（ＫｒＦ）１６からの出力を受ける。それに代わって、ダイアモンド結晶は、増幅器鎖１４を通して増幅すべきパルスの第１及び第２の通路の間に、設けられる。大気中に送られる前に、約２００ｆｓの継続時間の、周波数変調器１７で作られ、増幅され、周波数−変調されたフェムト秒パルスＧは、パルスストレッチャー１８から、２４８ｎｍに透明であるダイクロイック（二色）ビームスプリッタ１９を通してのグリーンパルスＨと結合され、レーザ源１３及び二倍器１３ａにより作られたグリーン（５３０ｎｍ）パルスを反射する。パルスストレッチャー１８は、１３ａで作られたパルスＣに伸び、８ｎｓパルスＣを、４つの連続パルスにスプリットすることにより作られたストレッチされたパルスＨを形成する。そのグリーンパルスＨは、使用した、図４に示すような増幅器１４をポンプするＮｄレーザ１３から誘導される。パルスストレッチャー１８は、本質的に、図５に示されるミラーの組合わせである。パルスＣは、図５の左側に示されるパルス連続波にストレッチされる。図５に示されるように、半波板Ｎが、図の面に関して、ビームの偏向面を、４５゜回転する。その結果、偏向器Ｐは、ビームを、２つの等価成分２Ｌ２２にスプリットする。２つの成分は、ミラーＭ₁及びＭ₂により逆反射される。これらの偏向面は、１／４波長板Ｑを通しての二倍通路の後に、９０゜回転される。その結果、他の方向２３で、初期ビーム通路に沿うよりむしろ、他の１／２波長板Ｈを通して、偏向ビームスプリッタＰにより再方向化される。１つのパルスの代わりに、分技２３中に２つの連続パルスがあり、それは、分技２１と２２の間の差異の２倍と等しい距離により分離される。同じ方法が、偏向器の第２の組立、１／２及び１／４波長板及びミラーＭ₃及びＭ₄により、繰り返される。パルス対は、出力２６中の２つの連続対にスプリットされ、分枝２４と２５の間の差異の２倍に等しい距離により分離される。図５に示されるものと同じ要素のカスケイドにより、元のパルスを所望の数、分割したものが得られる。レーザ１３とパルスストレッチングを使用する代わりに、更にレーザを使用し、好適には、空洞内（イントラキャビテイ：intracavity）半導体を有するＱ− スィッチされたＮｄレーザを使用して、例えば、J．Schwartz，W．WeilerとR．K ．Chang．”Laser-pulse shaping using inducible absorption with controlle d Qーswitch time behavior．”IEEE J．of Quantum Electronics，QE-6：442〜4 50，1970で、検討されたような長いパルスを与える。２つのレーザビームＧとＨは、既知の適当な方法により、大気中に、パラボラ或いは球面ミラーで、送られ、一般的に、数字２０により示される。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者イー，カオ，ヤンアメリカ合衆国カリフォルニア州 91770 ローズミードアールズウッドドライブ 3378

Claims

【特許請求の範囲】１．電界の強度を低減するように空間電荷の形成を本質的に防止するために、大気中で、静電気或いは雷を放電せしめる方法において；ａ）大気中の通路を通って、本質的に紫外線範囲内の波長の１つ以上の第１のレーザパルスを、大気中で電気伝導イオン化チャンネルを作るに十分な継続時間、伝達し、そして、ｂ）前記の１つ以上の紫外線パルスと本質的に同時に、該紫外線パルスより長い波長の１つ以上の第２のレーザパルスを、前記通路を通して伝達し、該チャンネルの伝導率を大気中で雷が生じるに十分に長い時間保持することを特徴とする前記の静電気或いは雷の放電方法。２．両方の該パルスの繰り返し速度は、少なくとも約１０Ｈｚである請求項１に記載の静電気或いは雷の放電方法。３．各紫外線パルスは、周波数が変調され、大気中を通過するにつれ、圧縮されることを特徴とする請求項１に記載の静電気或いは雷の放電方法。４．各々の第２のレーザパルスの波長は、本質的に可視範囲である請求項１に記載の静電気或いは雷の放電方法。５．各々の紫外線レーザパルスの波長は、約２４８ｎｍであり、継続時間は、約５００フェムト秒より少ないことを特徴とする請求項１に記載の静電気或いは雷の放電方法。６．大気中で、電界の強度を低減する空間電荷の形成を本質的に防止するように、静電気或いは雷の放電を行なわせしめる方法において、該大気は、水滴を含有するものであり、そして、ａ）大気中の通路中で、本質的に可視波長より大きい波長の１つ以上のレーザパルスを、十分な強度で、該通路内の水滴の基本的な割合が蒸発する継続時間、伝達し；ｂ）該通路中で、工程ａ）中該パルスを伝達すると同時に、或いはその直後に、本質的に紫外線波長範囲内の１つ以上のレーザパルスを、大気中で電気伝導イオン化チャンネルを形成するに十分な継続時間、伝達し、そして、ｃ）前記の紫外線レーザパルス各々と本質的に同時に、該通路内で、各々紫外線レーザパルスより長い波長の１つ以上のレーザパルスを、伝達し、それにより、前記電気伝導チャンネルを保持するようにすることを特徴とする前記の静電気或いは雷の放電方法。７．工程ｃ）で伝達されるパルスの各周波数は、可視範囲であることを特徴とする請求項５に記載の静電気或いは雷の放電方法。８．工程ａ）で伝達されるパルスの各周波数は、本質的に赤外線範囲であることを特徴とする請求項５に記載の静電気或いは雷の放電方法。９．大気中で、静電気或いは雷の放電を行なわせしめる装置において、ａ）大気中の通路中で、各々、本質的に紫外線波長範囲内の波長の１つ以上のレーザパルスを、電気伝導イオン化チャンネルを大気中に形成するに十分な継続時間、伝達する第１の手段；ｂ）前記の第１の伝達する手段と本質的に同時に、前記通路内で、各々、第１のレーザパルスの波長より長い波長の１つ以上の第２のレーザパルスを伝達し、それにより、前記イオン化チャンネルの電気伝導性を保持し、電気放電或いは雷発生ができるに十分な期間、伝達する第２の手段を有することを特徴とする前記の静電気或いは雷の放電装置。１０．更に、ｃ）該第１の手段の前或いはそれと重複して、前記通路中を伝達せしめ、１つ以上のレーザが、第２のレーザパルスの波長より長い波長を各々パルスし、それにより、該通路中での水滴を基本的に蒸発せしめる第３の手段を更に有することを特徴とする請求項９に記載の静電気或いは雷の放電装置。１１．該第１のレーザパルスの各波長は、約２４８ｎｍであることを特徴とする請求項９に記載の静電気或いは雷の放電装置。１２．該第２のレーザパルスの各波長は、本質的に可視範囲内であることを特徴とする請求項９に記載の静電気或いは雷の放電装置。１３．該更なるレーザパルスの各波長は、本質的に赤外線範囲であることを特徴とする請求項１０に記載の静電気或いは雷の放電装置。１４．該第１のレーザパルスの各継続時間は、約５００フェムト秒以下である請求項９に記載の静電気或いは雷の放電装置。１５．該第１の、第２の、及び更なるレーザパルスの繰り返し速度は、約１０Ｈｚである請求項１０に記載の静電気或いは雷の放電装置。