脉冲激光作用下气溶胶导致大气击穿研究

第9卷　第1期强激光与粒子束V o l.9,N o.1 1997年2月H IGH POW ER LA SER AND PA R T I CL E BEAM S Feb.,1997　
脉冲激光作用下气溶胶导致大气击穿研究Ξ
杨小丽　王俊波　刘炎焱　万德明
(电子科技大学应用物理研究所,成都610054)
摘　要　利用锁模N d:YA G激光及其倍频激光照射漂浮在大气中的A l2O3、ZnO、ZrO2、
18号玻璃粉等气溶胶粒子,在不同光学参数下对光致大气击穿阈值进行了测量。

测量结果表
明:空气中含较大粒子(d>30Λm)的光致击穿阈值比含较小粒子(d<1Λm)的空气击穿阈值低
2～3个数量级;含杂空气的击穿阈值随入射激光束直径的增大而下降,随气溶胶粒子直径的增
大而减小,且随气溶胶的成份的不同而不同;光致击穿阈值随波长的减小而增大。

关键词　空气击穿　阈值　气溶胶粒子　倍频N d:YA G脉冲激光
ABSTRACT　A ero so l-induced laser b reakdow n th resho lds has been discu ssed in differ2
en t op tic param eter o r in differen t m icro-m eter sized particles u sing a mode-locked N d:
YA G laser w ith123.61p s pu lse du rati on irradiates aero so l particles(A l2O3,ZnO,ZrO2,18th
glass)that are su spended in air.Fo llow ing resu lts are ob tained:b reakdow n th resho lds fo r
aero so l particles(d>30Λm)are2～3o rder of m agn itude below tho se fo r clean air(d<1Λm).
A ir b reakdow n th resho ld is low er as laser radiu s increasing o r aero so l particle size increasing.
T he th resho ld depends on particles compo siti on.T he th resho ld is h igher as laser w avelength
decreasing.
KEY WOR D S　air b reakdow n,th resho ld,aero so l,frequency-doub led N d:YA G pu lsed
laser.
0　引　言
强激光束通过大气传播的重要效应之一,是激光束与束道上气溶胶粒子的相互作用。

当强度达到一定值时,气溶胶粒子吸收的能量不仅影响粒子本身,而且直接影响到粒子周围的空气,最后将导致气体的击穿。

由于击穿产生的等离子体使通道阻塞[1],造成后续的激光能量非线性衰减,从而使可传播的激光功率峰值密度受到限制。

国外的研究集中在可见光和紫外波段(0.248Λm)脉冲激光引发的击穿[2,3],对共振微粒的击穿阈值进行了测量,得到当粒子发生SR S时,将使击穿阈值降低[4]。

我们采用锁模N d:YA G激光器的倍频光作用于气溶胶粒子,对大气光学击穿进行了实验研究,测量了击穿阈值,得到了一些有价值的基础实验数据。

1　实验系统
强激光作用下气溶胶粒子大气击穿的实验系统包括光学和测量系统部分。

光学系统包括光学击穿光源N d:YA G激光器、气溶胶粒子仓、聚焦透镜、偏振片、干涉滤光片等。

测量系统由高速光电探测器,黑白CCD摄象机等组成,如图1。

N d:YA G激光器在锁模下运行,波长为1.064Λm,及其倍频0.53Λm,激光脉冲串宽度为64n s,利用双光子荧光法测得单脉冲半宽度为
Ξ激光技术青年科学基金项目。

1996年6月11日收到原稿,1996年10月26日收到修改稿。

杨小丽,女,1963年5月出生,讲师,硕士。

20.69p s ,脉宽为123.61p s 。

激光束经聚焦透镜聚焦作用于气溶胶粒子,在击穿引发后,等离子体内的电子能够很容易地从有离子存在的激光场吸收更多的能量,被迅速加热的等离子体立刻产生一个膨胀的冲击波,并同时出现火花,如图2。

F ig .1　Schem tic of experi m en t setup fo r
m easu ring laser b reakdow n th resho lds
图1
　光学击穿阈值测量实验示意图F ig .2　Pho tograph of laser b reakdow n 图2　光学击穿火花
2　实验结果
N d :YA G 激光器输出的1.064Λm 激光束经倍频晶体后,输出0.53Λm 激光。

该光束经双色滤光片和聚焦透镜进入气溶胶粒子仓,用CCD 通过监视器同时观察击穿是否刚好在阈值附近发生,并用激光能量计读数。

每次测量阈值之前,在远场同样采用CCD 成象,利用H P 5402A 400M H z 数字采样存贮示波器选行扫描测量远场光斑大小,从而可得焦点处光斑半径。

通过击穿阈值的定量测量得到以下结果:
(1)击穿阈值随光斑的增大而减小。

利用不同焦距的光学系统来获得不同大小的焦斑,测量空气击穿阈值。

每次测量阈值之前,先测出焦点处光束的分布,并对每个光斑的激光脉冲能量都进行监测。

当室内有尘埃时(d <1Λm ),脉冲串宽度64n s ,单脉冲半宽度20.69p s 的0.53Λm
激光脉冲的实验数据,如图3。

我们发现:当焦斑半径为3.06Λm ,击穿阈值为6.24×1014W
c m 2,而当焦斑半径为22.3Λm 时,击穿阈值为4.53×1013W c m 2。

即击穿阈值随焦斑直径的增大持续下降。

从统计的观点来看,增大焦区体积会使焦区体积内出现最大尺寸粒子的几率增大,从而使阈值下降。

(2)用锁模N d :YA G 倍频0.53Λm 激光,分别对18号玻璃粉、A l 2O 3、ZnO 、ZrO 2等材料的气溶胶粒子进行实验。

实验结果如图4。

可以看出光致击穿阈值随气溶胶粒子直径的增大而减小,且随材料的不同而不同。

例如:扩散在空气中直径60Λm 和40Λm 的A l 2O 3粒子的光学击穿阈值
分别为3.21×1012W c m 2和4.21×1012W c m 2。

(3)图3和图4比较,得到直径较大的粒子(d >30Λm )的击穿阈值明显地低于含较小粒子(d <1Λm )的击穿阈值,低2
～3个数量级。

这是由于当激光束照射在气溶胶粒子上时,经粒子折射向前到达粒子的前向表面的折射光线,将集中在最大临界角之间。

理论分析和计算表明:光场的增强系数S (前向传播方向上粒子表面单位面积上的场流量 光入射到粒子表面的单位面积上的场流量)在接近临界角时迅速增长,使得S µ1,粒子这种自聚焦和光增强效应[5]使光学击穿阈值降低。

(4)光致击穿阈值和入射激光波长有关,随着激光波长的增大而减小。

我们用波长为1.06Λm 及其倍频0.53Λm 光,分别对18号玻璃粉(直径为35～80Λm )进行了
851强激光与粒子束第9卷
F ig .3　M easu rem en ts of aero so l 2induced
b reakdow n th resho lds versus r 0
图3
　光学击穿阈值随光斑半径的变化F ig .4　M easu rem en ts of aero so l -induced b reakdow n th resho lds versus aero so l diam eter 图4　不同材料、不同直径粒子的击穿阈值
F ig .5　M easu rem en ts of aero so l -induced
laser b reakdow n th resho lds at 1.06Λm and 0.53Λm 图5　光致击穿阈值随波长的变化光致击穿阈值的测量。

激光束经焦距为95mm
透镜聚焦后作用于粒子,入射光强大小由衰减
片和激光器控制电源电压调节,反复测量30组
数据,最后统计平均得到实验结果如图5。

波长
0.53Λm 时的阈值约为1.06Λm 阈值的5.7倍,
且光致击穿阈值随气溶胶粒子直径的增大而略
有减小。

(5)光学击穿发生时透射光强度和等离子
荧光的时间谱测量。

采用高速光电探测器对激
光脉冲串强度进行探测,入射光、透射光、等离子光分别经高速光电管探测,送入H P 5402A
400M H z 数字采样存贮示波器观测,如图6。

图中上方为入射光脉冲串,下方为击穿发生时等
离子体荧光时间谱(图6a )和透射光脉冲串(图6b )。

可以看出,当击穿引发后,出现了等离子荧光,等离子荧光的强度的大小和入射光光强超过击穿阈值的多少有关。

光致等离子体对入射激
F ig .6a P las m a fluo rescen t is happened
图6a
　等离子体荧光时间谱F ig .6b T he tran s m itted laser is cu t off 图6b 透射光脉冲串
9
51第1期 杨小丽等:脉冲激光作用下气溶胶导致大气击穿研究
061强激光与粒子束第9卷光的前向传播产生阻断。

3　结论
实验测量结果表明,空气中含较大粒子(d>30Λm)的光致击穿阈值比含较小粒子(d< 1Λm)的空气击穿阈值低2～3个数量级;含杂空气的击穿阈值随入射激光束直径的增大而下降,随气溶胶粒子直径的增大而减小,且随气溶胶的成份的不同而不同;光致击穿阈值随波长的增长而减小。

光致击穿阈值的测量在实用强激光系统通过大气的传播上有重要价值,在国外是十分活跃的前沿领域,大气中强激光击穿和入射激光束的波长、脉冲宽度有关。

今后将对选定波长和脉宽的强激光器进行定量、定性的光学击穿的理论和实验研究,以得到相应的激光大气击穿特性。

致谢　张力副教授、濮宏图讲师、邓宏讲师对本文的工作给予了支持和帮助,在此表示衷心地感谢。

参考文献
1　沈元壤著.非线性光学(下册).北京:科学出版社,1987,221～224
2　P innick R G et al.A pp lied Op tics,1988,27(5):987～996
3　Chang R K et al.A pp lied Op tics,1988,27(12):2377～2385
4　P innick R G et al.A pp lied Op tics,1992,31(3):311～318
5　杨小丽等.激光杂志,1996,17(1):17～20
AEROS OL-IND UCED A IR BREAK DOW N
W ITH Nd:YAG PUS L ED LASER RAD I AT I ON
Yang X iao li,W ang Junbo,L iu Yanyan,and W an D em ing
Institu te of A pp lied P hy sics,U n iversity of E lectron ic S cience&
T echnology,Cheng d u610054
A ero so l-induced laser b reakdow n th resho lds has been discu ssed u sing a mode-locked N d:YA G laser w ith123.61p s pu lse du rati on.T he pu lsed train length is64n s and single pu lse w idth is20.69p s.A ir b reak2 dow n th resho lds has been m easu red in differen t op tic param eter o r in differen t m icro-m eter sized particles that are su spended in air.
Fo llow ing resu lts are ob tained:B reakdow n th resho lds fo r aero so l particles(A l2O3,ZnO,ZrO2,18th glass,d>30Λm)are2～3o rder of m agn itude below tho se fo r clean air(d<1Λm).T he th resho ld depends on particles physicochem ical p roperties and particles’size.T he th resho ld fo r A l2O3particle is separately3.21×1012W c m2and4.21×1012W c m2w ith60Λm and40Λm diam eter.D ifferen t focu s len s u sed,the beam radiu s (w0)is differen t.A ir b reakdow n th resho ld is low er as w0increasing,show n in F ig.2.W hen w0is3.06Λm and22.3Λm,the th resho ld separately is6.24×1014W c m2and4.53×1013W c m2.T he th resho ld is h igher as laser w avelength decreasing;U sing of h igh speed op tical-electron ic detecto r,the p las m a fluo rescen t can be w atched and the tran s m itted laser is cu t off,w hen b reakdow n happened.。