飛秒激光成絲加載高壓后誘導(dǎo)產(chǎn)生離子風(fēng)的裝置及方法
【專利摘要】一種飛秒激光成絲加載高壓后誘導(dǎo)產(chǎn)生離子風(fēng)的裝置，包括：飛秒激光器、聚焦透鏡、高壓電源、絕緣塑料桿、球形銅電極、風(fēng)速儀。本發(fā)明利用飛秒光絲穿過球形電極中心，在電極加載高壓后，可使在射出電極的飛秒光絲一端發(fā)生電暈放電現(xiàn)象。本發(fā)明的特點(diǎn)在于利用經(jīng)特殊設(shè)計(jì)的金屬電極與飛秒光絲之間巧妙的相互關(guān)聯(lián)，能夠提升高壓加載效率，在高壓條件下，可以遠(yuǎn)程產(chǎn)生電暈放電和離子風(fēng)。本發(fā)明可用于工業(yè)大型器械的冷卻、大氣污染物治理、人工影響天氣等領(lǐng)域中，通過一定的改造，甚至能夠成為實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離且方向可控的離子風(fēng)產(chǎn)生裝置。
【專利說明】
飛秒激光成絲加載高壓后誘導(dǎo)產(chǎn)生離子風(fēng)的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及高壓放電領(lǐng)域以及高壓與激光等離子體的相互作用，本發(fā)明的原理是利用飛秒光絲具有一定的導(dǎo)電性，因此可以將飛秒光絲視為一種導(dǎo)體，由于飛秒光絲在結(jié)構(gòu)上存在離子濃度分布的不均勻性，出現(xiàn)了類似于金屬電極的表面曲率分布差異，光絲在加載上直流正高壓后，能夠在那些離子濃度出現(xiàn)較大梯度差的部分發(fā)生電暈放電，同時(shí)產(chǎn)生離子風(fēng)。
【背景技術(shù)】
[0002]強(qiáng)飛秒激光在空氣中傳輸?shù)倪^程中，當(dāng)克爾效應(yīng)產(chǎn)生的自聚焦效應(yīng)與激光電離空氣后產(chǎn)生的等離子體引起的散焦效應(yīng)達(dá)到一種動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，激光在空氣中自導(dǎo)引傳輸，形成了很長的等離子體通道，這就是飛秒激光的成絲現(xiàn)象，這種飛秒光絲結(jié)構(gòu)在激光引雷等環(huán)境應(yīng)用方面應(yīng)用具有重要意義。
[0003]電暈放電是氣體介質(zhì)在不均勻電場中的局部自持放電，是最常見的一種氣體放電形式。在曲率半徑很小的尖端電極附近，由于局部電場強(qiáng)度超過氣體的電離場強(qiáng)，使氣體發(fā)生電離和激勵(lì)，因而出現(xiàn)電暈放電，在產(chǎn)生電暈時(shí)在電極周圍可以看到藍(lán)紫色亮光，并伴有咝咝聲。
[0004]正電暈放電過程中，在電離區(qū)域，電離產(chǎn)生的電子向電極漂移，并被吸入電極，而正離子團(tuán)向負(fù)極端漂移，在運(yùn)動(dòng)過程驅(qū)動(dòng)空氣中的中性氣體分子流動(dòng)，產(chǎn)生定向氣流，稱之為離子風(fēng)，或電暈風(fēng)。
[0005]傳統(tǒng)的產(chǎn)生電暈的方式是使用具有尖端結(jié)構(gòu)的金屬電極，施加足夠的高壓，利用電極的尖端產(chǎn)生電暈放電，從而誘導(dǎo)離子風(fēng)的產(chǎn)生。但該方法受到施加電壓的極性和大小、電極的形狀、正負(fù)電極間距等因素的影響，作用范圍有限。
[0006]飛秒光絲加載高壓后誘導(dǎo)產(chǎn)生離子風(fēng)的原理為:當(dāng)球形銅電極加載上高壓后，由于飛秒光絲是一種等離子體通道，其內(nèi)部有大量的自由電子和離子，具有一定的導(dǎo)電性能，在高壓電場作用下，內(nèi)部電荷發(fā)生定向移動(dòng)，并在光絲的表面曲率半徑較小處累積足夠的電荷。在光絲的尖端，電勢值能夠達(dá)到一個(gè)相對(duì)較高的值，并在附近產(chǎn)生足夠強(qiáng)的電場，當(dāng)該電場值超過空氣電離閾值時(shí)將電離空氣，產(chǎn)生電暈放電，而電暈放電過程中，受到激勵(lì)的正離子團(tuán)在電場驅(qū)動(dòng)下，向負(fù)極或無窮遠(yuǎn)處定向漂移，在運(yùn)動(dòng)過程中驅(qū)動(dòng)空氣而產(chǎn)生氣流，即離子風(fēng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是針對(duì)傳統(tǒng)的離子風(fēng)產(chǎn)生方式存在的局限性，提出的改良方法。當(dāng)飛秒光絲從特殊設(shè)計(jì)的高壓電極中穿過時(shí)，飛秒光絲表面能夠加載一定的電勢，而光絲內(nèi)部的存在離子的不同分布，在特定位置處出現(xiàn)相當(dāng)于金屬電極的‘尖端’結(jié)構(gòu)，因而在高壓作用下，光絲的尖端產(chǎn)生電暈放電并誘導(dǎo)產(chǎn)生離子風(fēng)。由于可以通過調(diào)節(jié)激光的單脈沖能量、聚焦透鏡的焦距等參數(shù)來控制光絲的長度和光絲內(nèi)部的離子濃度，因此可以在空間上改變電暈和離子風(fēng)的產(chǎn)生位置，條件滿足時(shí)，甚至能遠(yuǎn)距離的產(chǎn)生離子風(fēng)，為未來拓展離子風(fēng)的應(yīng)用提供了無限的可能。
[0008]本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下:
[0009]—種飛秒激光成絲加載高壓后誘導(dǎo)產(chǎn)生離子風(fēng)的裝置，其構(gòu)成包括:飛秒激光器、聚焦透鏡、光學(xué)平臺(tái)、絕緣塑料螺桿、絕緣轉(zhuǎn)換體、球形銅電極和高壓電源；
[0010]所述的球形銅電極的中心通有圓柱形孔道，該球形銅電極設(shè)有圓柱形接頭，接頭經(jīng)絕緣轉(zhuǎn)換體與絕緣塑料螺桿的一端固定連接，該絕緣塑料桿的另一端固定在光學(xué)平臺(tái)上，所述的球形銅電極的接頭通過高壓電纜與高壓電源相連，所述的光學(xué)平臺(tái)接地；
[0011]所述的飛秒激光器輸出的激光經(jīng)聚焦透鏡聚焦，并通過球形銅電極的中心通道形成一段飛秒光絲，該飛秒光絲前段在球形銅電極的內(nèi)部中心通道內(nèi)，后段在球形銅電極外。
[0012]所述的飛秒激光成絲加載高壓后誘導(dǎo)產(chǎn)生離子風(fēng)的裝置還包括一部分測量裝置，其構(gòu)成包括:絕緣塑料桿、絕緣轉(zhuǎn)換體和風(fēng)速儀。
[0013]所述的測量裝置中，風(fēng)速儀的探頭安裝在飛秒光絲出射端，并保持特定的距離，防止探頭被擊穿，所述的探頭經(jīng)絕緣轉(zhuǎn)換體與絕緣塑料螺桿的一端固定連接，該絕緣塑料桿的另一端固定在所述的光學(xué)平臺(tái)上。
[0014]利用所述的飛秒激光成絲加載高壓后誘導(dǎo)產(chǎn)生離子風(fēng)的裝置誘導(dǎo)產(chǎn)生離子風(fēng)的方法，包括如下步驟:
[0015](I)打開飛秒激光器，調(diào)節(jié)激光輸出參數(shù)到設(shè)定的值，達(dá)到滿足飛秒激光成絲的條件，飛秒激光通過球形銅電極的中心通道，并在中心通道內(nèi)和出射端形成一段飛秒光絲；
[0016](2)打開風(fēng)速儀開關(guān)，調(diào)節(jié)探頭位置；
[0017](3)打開高壓電源開關(guān)，逐漸增加所加載電壓的值至設(shè)定值，在已形成的飛秒光絲的尖端觀察到有電暈現(xiàn)象的產(chǎn)生；
[0018](4)記錄下風(fēng)速儀表盤上的風(fēng)速值，改變風(fēng)速儀的探頭與飛秒光絲出射尖端的空間位置關(guān)系，記錄飛秒光絲尖端不同位置處的產(chǎn)生離子風(fēng)的速度分布；
[0019](5)改變高壓電源的加載電壓值，記錄在不同電壓下的光絲產(chǎn)生的離子風(fēng)的氣流速度及其空間分布；
[0020](6)將電壓固定在設(shè)定值，更改飛秒激光器輸出的單脈沖激光能量，分別記錄在不同激光能量下光絲尖端產(chǎn)生的離子風(fēng)的氣流速度分布。
[0021 ]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn):
[0022]通過設(shè)計(jì)出具有特殊幾何結(jié)構(gòu)的電極，可以提升光絲在高壓電場下的電勢加載效率，光絲作為一種導(dǎo)體，同時(shí)也具有‘尖端’結(jié)構(gòu)，可以在加載高電勢的條件下產(chǎn)生電暈放電現(xiàn)象并誘導(dǎo)產(chǎn)生離子風(fēng)。由于光絲的長度和整體光路的可變性，可以在特定空間里實(shí)現(xiàn)長度可控、方向可變的光絲，而電暈主體主要發(fā)生在光絲尖端，從而可以實(shí)現(xiàn)方向，位置可控的離子風(fēng)。
[0023]同時(shí)本裝置和光路較為簡易，適用范圍廣，可以將光路和高壓裝置改良，實(shí)現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用。
【附圖說明】
[0024]圖1為本發(fā)明飛秒激光成絲加載高壓后誘導(dǎo)產(chǎn)生離子風(fēng)的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)介紹，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍:
[0026]請(qǐng)參閱圖1，圖1是本發(fā)明飛秒激光成絲加載高壓后誘導(dǎo)產(chǎn)生離子風(fēng)的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。由圖可見，該裝置包括飛秒激光器1、聚焦透鏡2、光學(xué)平臺(tái)3、絕緣塑料螺桿5、絕緣轉(zhuǎn)換體6、球形銅電極7、絕緣塑料螺桿8、絕緣轉(zhuǎn)換體9、高壓電源1和風(fēng)速儀12。
[0027]所述的球形銅電極7尾端為一個(gè)銅金屬球，中心通有圓柱形孔道，銅金屬球一端有一圓柱形接頭，接頭經(jīng)絕緣轉(zhuǎn)換體6與絕緣塑料螺桿5的一端固定連接，該絕緣塑料桿5的另一端固定在光學(xué)平臺(tái)3上，所述的球形銅電極7通過高壓電纜與高壓電源12相連，所述的光學(xué)平臺(tái)3通過金屬網(wǎng)接地4;
[0028]所述的球形銅電極主體為金屬球形結(jié)構(gòu)，球形電極的直徑為4cm，在電極中心開設(shè)有水平的圓柱形通孔，孔道的內(nèi)徑為3_，長為4cm;
[0029]所述的飛秒激光器I輸出的激光經(jīng)聚焦透鏡2聚焦，光束在聚焦過程中通過球形銅電極7中心孔道的前端口，在中心孔道內(nèi)形成飛秒光絲，飛秒光絲再通過中心孔道的后端口出射并延伸出去;所述的風(fēng)速儀12在飛秒光絲的尾端附近探測電暈放電誘導(dǎo)的離子風(fēng)的流速。
[0030]所述的球形銅電極中心通道的軸線與飛秒光絲重合，飛秒光絲距離金屬電極的內(nèi)壁距離約1.5mm。
[0031]通過改變絕緣塑料固定桿8的位置，可以在相同的電壓值條件下，由風(fēng)速儀測出不同位置的離子風(fēng)的風(fēng)速。
[0032]通過調(diào)節(jié)高壓電源10的輸出電壓值，由01^、51^、101^、151^、201^、251^、301^、35KV、40KV、45KV、50KV，可以測出在相同位置處誘導(dǎo)產(chǎn)生的離子風(fēng)的流速。
[0033]通過改變激光器輸出激光脈沖的能量，單脈沖能量由0.5mJ、1.0mJ、1.5mJ、2.0mJ、2.5mJ、3.0mJ、3.5mJ、4.0mJ、4.5mJ、5.0mJ、6mJ、7mJ漸變時(shí)，可以改變飛秒光絲的空間長度，
因此改變光絲尖端的位置，達(dá)到改變電暈發(fā)生位置的目的，從而實(shí)現(xiàn)了在不同位置誘導(dǎo)電暈放電及離子風(fēng)的目標(biāo)。
[0034]本發(fā)明利用飛秒光絲加載高壓后誘導(dǎo)產(chǎn)生離子風(fēng)，首次提出了用光絲作為媒介，誘導(dǎo)電暈放電和離子風(fēng)的產(chǎn)生，并提出方向、距離可控的離子風(fēng)發(fā)生裝置的設(shè)計(jì)理念。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種飛秒激光成絲加載高壓后誘導(dǎo)產(chǎn)生離子風(fēng)的裝置，特征在于其構(gòu)成包括:飛秒激光器(1)、聚焦透鏡(2)、光學(xué)平臺(tái)(3)、絕緣塑料螺桿(5)、絕緣轉(zhuǎn)換體(6)、球形銅電極(7)和高壓電源(10); 所述的球形銅電極(7)的中心通有圓柱形孔道，該球形銅電極(7)的中部設(shè)有圓柱形接頭，接頭經(jīng)絕緣轉(zhuǎn)換體(6)與絕緣塑料螺桿(5)的一端固定連接，該絕緣塑料桿(5)的另一端固定在光學(xué)平臺(tái)(3)上，所述的球形銅電極(7)的接頭通過高壓電纜與高壓電源(10)相連，所述的光學(xué)平臺(tái)(3)接地； 所述的飛秒激光器(I)輸出的激光經(jīng)聚焦透鏡(2)聚焦，并通過球形銅電極(7)的中心通道形成一段飛秒光絲，該飛秒光絲前段在球形銅電極(7)的內(nèi)部中心通道內(nèi)，后段在球形銅電極(7)外。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的飛秒激光成絲加載高壓后誘導(dǎo)產(chǎn)生離子風(fēng)的裝置，其特征在于，還包括絕緣塑料桿(8)、絕緣轉(zhuǎn)換體(9)和風(fēng)速儀(12);所述的風(fēng)速儀(12)的探頭(11)安裝在飛秒光絲出射端，并保持特定的距離防止探頭(11)被擊穿，所述的探頭(11)經(jīng)絕緣轉(zhuǎn)換體(9)與絕緣塑料螺桿(8)的一端固定連接，該絕緣塑料桿(8)的另一端固定在所述的光學(xué)平臺(tái)(3)上。3.利用權(quán)利要求1所述的飛秒激光成絲加載高壓后誘導(dǎo)產(chǎn)生離子風(fēng)的裝置誘導(dǎo)產(chǎn)生離子風(fēng)的方法，其特征在于，該方法包括如下步驟: ①打開飛秒激光器(I)，調(diào)節(jié)激光輸出參數(shù)到設(shè)定的值，達(dá)到滿足飛秒激光成絲的條件，飛秒激光通過球形銅電極的中心通道，并在中心通道內(nèi)和出射端形成一段飛秒光絲； ②打開風(fēng)速儀(12)開關(guān)，調(diào)節(jié)探頭(11)位置； ③打開高壓電源(14)開關(guān)，逐漸增加所加載電壓的值至設(shè)定值，在已形成的飛秒光絲的尖端觀察到有電暈現(xiàn)象的產(chǎn)生； ④記錄下風(fēng)速儀表盤上的風(fēng)速值，改變風(fēng)速儀的探頭(11)與飛秒光絲出射尖端的空間位置關(guān)系，記錄飛秒光絲尖端不同位置處的產(chǎn)生離子風(fēng)的速度分布； ⑤改變高壓電源(10)的加載電壓值，記錄在不同電壓下的光絲產(chǎn)生的離子風(fēng)的氣流速度及其空間分布； ⑥將電壓固定在設(shè)定值，更改飛秒激光器(I)輸出的單脈沖激光能量，分別記錄在不同激光能量下光絲尖端產(chǎn)生的離子風(fēng)的氣流速度分布。
【文檔編號(hào)】H05F3/04GK105916282SQ201610420758
【公開日】2016年8月31日
【申請(qǐng)日】2016年6月14日
【發(fā)明人】王鐵軍, 杜盛喆, 鞠晶晶, 李儒新, 孫海軼, 劉堯香, 陳娜, 朱忠彬
【申請(qǐng)人】中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所