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1、第55卷第1期2006年1月物理学报Vol.55,No.1,January,2006100023290P2006P55(01)P0357205ACTAPHYSICASINICAn2006Chin.Phys.Soc.*空气中激光等离子体通道导电性能的研究1)1)1)1)1)1)2)1)张张杰李玉同郝作强郑志远远晓辉王兆华1)(中国科学院物理研究所光物理开放实验室,北京100080)2)(中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学技术国家重点实验室,西安710068)(2005年1月21日收到;2005年4月6日收到修改稿)超强飞秒激光在大气中传输时,可以形成很长的等离子体通道.对通道电阻率和
2、测量电极与等离子体通道间的接触电阻进行了测量,并对影响等离子体通道电阻率的主要因素进行了研究分析.提出减小等离子体通道电阻的方案.关键词:等离子体通道,电阻率,接触电阻PACC:5280D主要是隧道电离.静态场中粒子隧道电离速率为1P211引言31Xac=41P21P2P(2Eion)E3P2近年来,超强飞秒激光在空气中的传输问题得2(2Eion)@expX0,(1)[1)4]3E到了各国科学家的广泛重视.近年的很多实验其中2Eion为用氢原子第一电离能归一化的粒子电研究发现,高强度的飞秒激光脉冲可以产生长达百[5][6]离能,空气中主要是氮原子和氧原子(即2Eion=EN米甚至千米的等
3、离子体通道.激光等离子体通@70%+EO@30%);E为用氢原子在第一波尔半道导电现象与很多实际应用密切相关,例如用激光等径处的原子电场强度归一化的光电场强度.X0为频离子体通道可以诱导闪电,实现远距离电能传输等.16-1率的原子单位(411@10s).这些应用都要求激光等离子体通道的电阻较小.世界通道内电子密度为上很多实验室都对激光等离子体通道的电阻率进行dnePdt=Xac(N0-ne),(2)[7)10]了研究.研究发现激光等离子体通道的电阻率与其中N0为空气密度,ne为通道内电子密度,S为激激光参数等因素有很大关系.我们利用中科院物理研光脉冲宽度,我们的激光系统产生的激光脉冲宽度
4、究所光物理实验室的极光Ò号飞秒激光系统进行实为50fs.为了方便可考虑激光脉冲在时间上为矩形验.该激光系统产生的激光脉冲在大气中传输形成了分布,因此上式可变为很长的等离子体通道,我们对此等离子体通道电阻率-XSne=N0(1-eac).(3)以及测量电极和等离子体通道间的接触电阻进行了13152当光场强度从10)10WPcm变化时,nePN0实验测量,并对其影响因素做了研究分析.增长得很快,如图1所示.152当光场强度接近10WPcm时,通道已经达到121等离子体通道电阻率理论计算级完全电离.此时通道属于强离化通道,粒子之间的碰撞主要为电子和离子的碰撞,考虑无磁、稳态情况激光等离子体通道
5、的形成机理与激光的强度和下,根据流体运动方程可得电流密度2类型有关.对于超短激光脉冲而言,由于形成等离子nee14152J=E,(4)体通道的激光强度I在10)10WPcm,其电离机理meMei*国家自然科学基金(批准号:60321003,10374116,10390161),国家重点基础研究专项基金(批准号:G1999075206)和国家高技术激光核聚变主题基金资助的课题.E2mail:jzhang@aphy.iphy.ac.cn358物理学报55卷内自由电子密度很高.在细丝周围由于存在激光能量背景,会形成一个等离子体鞘层.鞘层中自由电子密度比细丝中低很多,因此鞘层电阻率也较大.在空气
6、中等离子体通道内电能传输主要在细丝中进行.我们使用的激光装置是中科院物理研究所光物理实验室的极光Ò号激光系统,该系统单脉冲输出时能量最大可达640mJ,脉宽30fs,中心波长800nm,重复频率10Hz.实验中只用了部分激光能量.实验装置如图2,将两个中心有小孔的铜极板放在电路中,调整光路让光刚好通过小孔.两板间加直流高压图1自由电子密度随光强变化V(远低于空气击穿电压).电路中串连一个10k8的限流电阻.聚焦激光从小孔通过时,由于细丝直径远其中Mei为电子和离子碰撞频率,考虑电子速度的麦小于小孔直径,细丝和极板间由细丝周围的等离子克斯韦分布,有体鞘层导通.由于鞘层电阻率较大,在等离子体
7、细丝4M42Pnee和极板间会产生一个较大的接触电阻Rc.接触电阻ei=1P23P2Le,(5)3meTeRc和等离子体通道电阻共同导通两块极板间的空其中Le为库仑对数,密度和温度在不大范围内变化气,形成通路.示波器从电阻R上获得电压信号.时可以认为Le为常数,可以取10.由(4)式可得电阻率meMeiG=2.(6)nee将(5)式代入(6)式可得,1级完全离化通道下,电阻-5率G=418@108cm.13142当光场强度在10)1
