光致大气等离子体特性研究Word格式.docx

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1、研究了在强激光的作用下，包括光电离和碰撞电离在内的各种气体电离的机制，特别是多光子电离，在气体电离的基础上，然后介绍了气体击穿模型，并针对强激光脉冲的大气传输问题，数值计算了长脉冲激光的大气击穿阈值，并在阈值的数值计算中考虑了激光脉宽、气体压气、初始电子等因数对击穿阈值的影响。

2、针对强激光脉冲在大气中传输所产生的光致等离子体，我们研究了该等离子体与电磁波的相互作用，特别是它对电磁波的吸收，并数值计算了常用微波雷达频段的电磁波经大气等离子体时的衰减。

3、在充分考虑强激光大气传输的非线性物理效应的基础上，推导了强激光脉冲的大气传输方程；

并从该方程出发，采用Schwarz等人的电子平稳态理论，研究了纳秒量级的紫外激光脉冲在大气中的传输，并对该理论所用parabolicaberrationlessapproximation近似方法而产生的自聚焦临界强度与自聚焦理论不符的问题，在改用最小平方差近似minimizingthemeansquareerrorapproximation后，问题得到了比较好的解决。

另外，强激光脉冲大气传输所涉及的一些非线性物理

I

子科技大学硕士学位论文过程，诸如：

自聚焦、自散焦、拉曼散射对非线性折射率的影响等，我们也进行了讨论。

关键词：

强激光大气传输大气击穿阈值光致大气等离子体

II

ABSTRACT

Abstract

Withthedevelopmentoflasertechnology，mankindcanattainthelaserpulseswhicharemuchshorterandmoreandmorepowerful.Asthelasertechnologyisfullofpotentialityinmilitaryandcivilfields,itattractsmanyresearchers.Thetransmissionofthehighpowerandshortwidthlaserpulseintheatmosphereisoneofthecommonproblemswhichresearchersshouldfaceintheapplicationofit.Itmaybringaboutmuchnonlineareffectwhenhighpowerandshortwidthlaserpulseisbeingtransmittedintheatmosphere.Theairplasmawillformwhenairisionizedandenoughelectronsareproduced.Thisprocesswillcausethelossoflaserenergy.Atthesametimetheairplasmawillblocktheenergytransmissionofelectromagneticwaveincertainconditions.Allthesefactorsmakethetransmissionofhighpowerlaserverydifficult,andthelasercanonlygoseveralRayleighlengths.However,mankindissupposedtotransmitthehighpowerlaserpulsetoalongdistanceinthepracticaluse.Thisthesisaimsatthetransmissionofhighpowerlaserpulseintheatmosphere,andemphasizesonthethresholdofairbreakdownfromtheaspectofnumericalcomputation,thelongdistancetransmissionofhighpowerlaserintheatmosphere,andespeciallyonthelongdistancetansmissionoflongpulseultravioletradiationfromtheaspectoftheoryandnumericalcomputation.Therearethreemainpartsinthisthesis:

1.Somekindsofionizationofgasundertheirradiationofhighpowerlaserarediscussed;

especiallythemultiphotonionization,thenthemodelsofgasbreakdownisintroduced.Thethresholdofairbreakdowninducedbyhighpowerlaserpulseisnumericallycomputed;

therelationshipbetweentheairbreakdownthresholdandinitialelectron,airpressure,andthewidthoflaserpulsearealsocomputed.2.Theinteractionoftheairplasmainducedbylaserpulseandtheelectromagneticwaveismentioned;

especiallythereasonwhytheplasmaabsorbselectromagneticwave.Thelossofradarwavewhenitiscrossingtheairplasmaisalsonumericallycalculated.3.Thetransmissionequationofhighpowerlaserintheatmosphereisdeducedonthebasisoffullconsiderationofthenonlineareffect.Andaccordingtotheequationwe

III

电子科技大学硕士学位论文numericallyanalyzethetransmissionoflongpulseultravioletradiation.Inournumericalanalysesweadoptthetheoryof“electronsteady-state”ofSchwarzandotherco-authors,butweimprovethemethodofminimizingthemeansquareerrorapproximationfromtheparabolicaberrationlessapproximation,becausethecriticalpowerofself-focusinginairisnotconsistentwiththetheoryofself-focusingfromtheapproximationofSchwarzandotherco-authors.Andourresultiswellconsistentwiththeoryofself-focusing.Wealsodiscusstheinfluenceofthenonlinearprocessesduringthetransmissionofthehighpowerlaserpulseintheatmosphere,suchasself-focusing,self-defocusingandtheRamanscatteringonthenonlinearindexandsoon.

Keywords:

highpowerlaserpulsepropagationintheatmosphere,thethresholdofairbreakdown,theairplasmainducedbylaser

IV

目录

目录

第一章引言..............................................................................................................1

1.1本课题的意义与目的.................................................................................................11.2国内外发展动态...........................................................................................................41.3本文的结构.......................................................................................................................5第二章气体电离理论及大气击穿..........................................................................72.1电离理论............................................................................................................................72.2击穿的物理模型........................................................................................................162.3大气击穿阈值的数值计算...................................................................................182.4关于影响激光击穿过程的物理参数讨论.....................................................24第三章激光大气等离子体对电磁波传播的阻碍作用..........................283.1等离子体及其特性.....................................................................................................283.2等离子体与电磁波的相互作用..........................................................................29第四章强激光脉冲的大气传输................................................................................364.1强激光脉冲大气传输方程....................................................................................364.2强激光大气传输中的非线性物理现象.........................................................384.3长紫外激光脉冲大气传输...................................................................................44第五章结束语.....................................................................................................................55致谢..........................................................................................................................................57参考文献.....................................................................................................................................58攻硕期间取得的研究成果..............................................................................................62

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第一章引言

第一章引言

1.1本课题的意义与目的1.1.1本课题的意义自1960年T.H.梅曼等人制成第一台红宝石激光器后，随着激光科学技术的发展，人们可以得到脉宽越来越短、功率越来越强的激光。

图1-1是激光技术的发展年代图。

由于这些强激光在军事、民用方面的巨大的潜力，它吸引了许多研究者的注目，但是在这些应用中，几乎都会遇到一个共同的问题：

强激光在大气中的传输。

当强激光在空气中传输时，会引起空气（包括空气中的气体分子以及杂质）的电离，从而引发空气的击穿（在激光问世后不久的1963年，Maker、Terhune、Savage等人就发现了该现象，他们用聚焦的调Q红宝石激光在空气中产生类似电极间电子击穿的火花，此后研究者在其他气体、液体、固体表面也发现了同样的现象。

）。

强度

激光

年代图1-1激光技术发展年代图由于强激光在大气中传输时会引发气体及杂质的光学击穿，形成光致等离子体，即气体击穿实质上是气体或杂质吸收激光的能量，产生电离的现象，这对于

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电子科技大学硕士学位论文激光能量的传输而言是不利的；

而等离子体在强激光的大气传输及其应用中是一个非常重要的物质：

一方面：

当电磁波频率小于等离子体的频率时，等离子体对电磁波的传播具有屏蔽作用，即电磁波此时不能在等离子体中传播，而当电磁波频率大于等离子体的频率时，电磁波可以在等离子体中传播；

另一方面：

当常用的高斯强激光脉冲在大气中传输时由于其能量分布的不均匀性而具有自聚焦的性质，这种性质将使激光的能量汇聚，从而轻易使气体电离，发生气体击穿现象，尽管这是一个消耗激光能量的过程，然而我们还得感谢该过程，因为其所产生的等离子体对激光的作用类似一个散焦的透镜，对激光具有发散的作用，因此在一定的条件下，如果二者的作用能够达到平衡，将形成激光的自导传播[1][2]（激光自导是指聚焦和散焦达到动态平衡时，激光被限制在所产生的等离子体通道内，并且能在通道内传播很远而激光焦斑半径基本不发生变化，而该通道内将形成像金属一样可以导电的细丝，即“成丝”现象。

丝在远距离的传输中可以保持激光的高能量和瞬态结构不变），这就使得强激光在大气中的远距离传输产生了可能。

目前关于强激光在大气中的传输是一个比较受人关注的领域，是由于它在等离子体隐身，超宽带激光雷达、引导闪电等方面的潜在应用[1][2]。

对于等离子体隐身：

隐身技术是现代武器系统发展中出现的一项高新技术，它要求尽量降低目标的可被观测性，避开雷达、红外、光、声、电、等设备的搜索和识别，是现代军事上隐蔽自己、借以增强突击生存能力和保护自身的重要手段。

相对而言等离子体隐身具有很多的优势：

（1）隐形效率高。

首先，等离子体可以达到99%的吸收或折射效果，这样的效率远远超过现有吸波材料，接近完全吸收；

其次，等离子体具有很宽的吸收波段，基本可以对所有波段的雷达波进行吸收和干扰。

（2）不改变装备的外形结构。

传统吸波材料效率不是很高，所以要实现隐形主要是寄希望于外形设计，比如美国的隐形飞机与导弹都特别强调隐身外形，但这对飞行器的飞行性能必然会产生不良影响；

等离子体由于具有极高的吸波效率，根本就不需要对装备有什么特别的外形要求，只要能在装备表面形成一层等离子体就完全可以达到目的。

所以等离子体隐形可以保留装备的原有外形及战术、技术性能。

（3）相对简单廉价。

等离子体隐形技术如果能投入实际应用，其技术相对简单、成本也相对较低。

比起传统的隐形技术，更便于大规模使用。

对于超宽带激光雷达：

我们知道激光雷达的工作原理是:

雷达将光脉冲发向空中,这些光脉冲在大气中扩散、后向散射,由散射回来的信号可以推算出时间、距离,光电探测器收集到反射信号后就可以检测到空间物体的位置信息。

而飞秒太瓦级激光脉冲在空气中有超强的自相位调制效应，使激光自导的等离子体光丝中会2

第一章引言产生超连续白光谱,这使超宽带激光雷达成为可能,它在雷达空间分辨的基础上又增加了光谱分辨，从而人们可以利用自聚焦激光脉冲来测定大气污染：

向空中发射两束激光，一束光被调谐到所关心的污染物吸收波段,另一束作为基准光。

这两束光中,有一束光被吸收,另一束则不被吸收,经大气中的氮、氧分子或其它杂质粒子散射后,地面检测器探测两束光被反向散射回的微量光，通过对对比，就可以探明污染物。

宽带激光雷达与传统激光雷达的3个区别是:

（1）传统激光雷达一次只能够测量一个污染物质,但这对于“光丝”来说不是什么问题,因为它宽阔的连续频段包含大量的吸收波段，它可以一次探测多个污染物质;

（2）很多被测浮尘的吸收区域在红外波段,因此,在该波段的回波信号非常弱。

而由“光丝”所产生的等离子体能够产生自己的红外发射信号，它可以直接反射回地面;

（3）传统雷达的单色光源对浮尘的形状不灵敏,例如,它们不能够测量浮尘的大小。

而宽波段光丝则没有这种限制,因为散射光谱正好依赖于散射粒子的大小。

对于引导闪电：

由于自导激光脉冲在传输路径上电离空气,“光丝”变得可导,因此,光丝实际上成为可用来进行电光避雷的通道,这种特性可用来保护敏感场所,如发电厂、机场等。

激光引导闪电,就是利用激光在云层和大地之间产生一个放电通道，当激光脉冲自聚焦所致等离子体电子的浓度超过某一临界值时,在外电场的作用下,局部空气发生雪崩电离,如果这时地面电场是正电场，那么电子会沿着激光产生的等离子通道向上运动直至云层,与云层的正电荷发生中和而产生放电（即闪电），闪电沿“光丝”通道放电，可以把闪电引向安全的地方，从而达到引导闪电的目的。

而紫外激光系统又是一个好的选择：

在一定的条件下，紫外激光系统可以产生浓度连续的电子，而且较易于控制。

本课题对气体击穿理论做了比较详细的研究，这对于强激光脉冲在大气中的应用打下了一定的研究基础；

同时对强激光电离后产生的等离子体的特性进行了研究，这对我们利用激光大气等离子体提供了一个研究基础，并且在此基础上对强激光脉冲特别是长脉冲的紫外激光的大气传输进行了研究。

1.1.2本课题的目的通过对强激光大气传输过程的简单描述，我们知道强激光在大气中传输时，气体击穿是一个重要的基本的物理现象，是激光等离子体应用的基础，因此着眼于强激光大气传输与应用的研究，都必须了解气体击穿的理论，同样强激光在大气中的传输有着广泛的应用，因此从理论上来研究是非常必要的。

本论文中的第

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电子科技大学硕士学位论文一部分是863激光创新基金（z0030511）中有关大气击穿的理论部分，但着眼于未来的应用，我们在此基础上作了激光在大气等离子体中的传播的研究，以期为未来的强激光脉冲在大气中的应用打下基础。

但是由于时间等其他因素，尽管我们只研究了强激光等离子体对电磁波的屏蔽作用以及长紫外激光脉冲在大气中的传播，而没有研究涉及更多非线性效应的飞秒红外强激光脉冲在大气中的传输，但是我们推导了强激光脉冲的传输方程以及研究了在这些过程中的非线性物理效应，这些对于以后在该领域的研究打下了良好的研究基础。

所以本文的目的是解决强激光脉冲大气传输的击穿阈值，以及为未来强激光脉冲的大气传输做些基础的理论工作。

1.2国内外发展动态1.2.1气体电离及击穿理论目前有关强激光产生的等离子体及其特性的研究，在国内开展得很少而且不全面，主要的体现是：

在实验方面的研究，集中在杨小丽等老师的气溶胶对大气击穿的影响[3][4][5]和林兆祥等人的激光击穿的等离子体的光谱研究[6][7][8]；

在理论方面仅在大气击穿阈值方向做了一定的研究，但是这些研究主要集中在单一气体的击穿或激光波长对大气击穿阈值的影响[6][7]。

相对于国内，国外在这方面的研究较多。

他们作了许多的击穿阈值的实验研究，在这些研究中既包括了单原子气体，如氩、氖等，同时又包括了分子气体，如氧气、氮气等（对空气也作了实验研究）。

在理论上的研究有：

①关于光电离的分类：

通过Keldysh参数可以将光电离分为多光子电离（气体吸收一定数目的光子直接从基态跃迁到连续态）和隧道电离（随着激光的增强，使气体原子与激光电场的合成势垒被压低，从而使得电子贯穿该势垒成为自由电子）两个区域。

在这两个区域，由于电离的机理并不相同，所以他们的电离率也不相同。

②气体的电离的两个阶段：

光电离和碰撞电离（级联电离或雪崩电离）以及它们在气体击穿的过程的地位和作用。

目前公认的是[6][7]：

在脉冲较短或气体的密度较小的情况下，气体的电离主要