一種飛秒激光成絲加載高壓后誘導產生離子風的裝置，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、風速儀。本發明專利技術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生電暈放電現象。本發明專利技術的特點在于利用經特殊設計的金屬電極與飛秒光絲之間巧妙的相互關聯，能夠提升高壓加載效率，在高壓條件下，可以遠程產生電暈放電和離子風。本發明專利技術可用于工業大型器械的冷卻、大氣污染物治理、人工影響天氣等領域中，通過一定的改造，甚至能夠成為實現更遠距離且方向可控的離子風產生裝置。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及高壓放電領域以及高壓與激光等離子體的相互作用，本專利技術的原理是利用飛秒光絲具有一定的導電性，因此可以將飛秒光絲視為一種導體，由于飛秒光絲在結構上存在離子濃度分布的不均勻性，出現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較大梯度差的部分發生電暈放電，同時產生離子風。
技術介紹
強飛秒激光在空氣中傳輸的過程中，當克爾效應產生的自聚焦效應與激光電離空氣后產生的等離子體引起的散焦效應達到一種動態平衡時，激光在空氣中自導引傳輸，形成了很長的等離子體通道，這就是飛秒激光的成絲現象，這種飛秒光絲結構在激光引雷等環境應用方面應用具有重要意義。電暈放電是氣體介質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，由于局部電場強度超過氣體的電離場強，使氣體發生電離和激勵，因而出現電暈放電，在產生電暈時在電極周圍可以看到藍紫色亮光，并伴有咝咝聲。正電暈放電過程中，在電離區域，電離產生的電子向電極漂移，并被吸入電極，而正離子團向負極端漂移，在運動過程驅動空氣中的中性氣體分子流動，產生定向氣流，稱之為離子風，或電暈風。傳統的產生電暈的方式是使用具有尖端結構的金屬電極，施加足夠的高壓，利用電極的尖端產生電暈放電，從而誘導離子風的產生。但該方法受到施加電壓的極性和大小、電極的形狀、正負電極間距等因素的影響，作用范圍有限。飛秒光絲加載高壓后誘導產生離子風的原理為：當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，其內部有大量的自由電子和離子，具有一定的導電性能，在高壓電場作用下，內部電荷發生定向移動，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，電勢值能夠達到一個相對較高的值，并在附近產生足夠強的電場，當該電場值超過空氣電離閾值時將電離空氣，產生電暈放電，而電暈放電過程中，受到激勵的正離子團在電場驅動下，向負極或無窮遠處定向漂移，在運動過程中驅動空氣而產生氣流，即離子風。
技術實現思路
本專利技術的目的是針對傳統的離子風產生方式存在的局限性，提出的改良方法。當飛秒光絲從特殊設計的高壓電極中穿過時，飛秒光絲表面能夠加載一定的電勢，而光絲內部的存在離子的不同分布，在特定位置處出現相當于金屬電極的‘尖端’結構，因而在高壓作用下，光絲的尖端產生電暈放電并誘導產生離子風。由于可以通過調節激光的單脈沖能量、聚焦透鏡的焦距等參數來控制光絲的長度和光絲內部的離子濃度，因此可以在空間上改變電暈和離子風的產生位置，條件滿足時，甚至能遠距離的產生離子風，為未來拓展離子風的應用提供了無限的可能。本專利技術的技術解決方案如下：一種飛秒激光成絲加載高壓后誘導產生離子風的裝置，其構成包括：飛秒激光器、聚焦透鏡、光學平臺、絕緣塑料螺桿、絕緣轉換體、球形銅電極和高壓電源；所述的球形銅電極的中心通有圓柱形孔道，該球形銅電極設有圓柱形接頭，接頭經絕緣轉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平臺上，所述的球形銅電極的接頭通過高壓電纜與高壓電源相連，所述的光學平臺接地；所述的飛秒激光器輸出的激光經聚焦透鏡聚焦，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部中心通道內，后段在球形銅電極外。所述的飛秒激光成絲加載高壓后誘導產生離子風的裝置還包括一部分測量裝置，其構成包括：絕緣塑料桿、絕緣轉換體和風速儀。所述的測量裝置中，風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，所述的探頭經絕緣轉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平臺上。利用所述的飛秒激光成絲加載高壓后誘導產生離子風的裝置誘導產生離子風
的方法，包括如下步驟：(1)打開飛秒激光器，調節激光輸出參數到設定的值，達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，并在中心通道內和出射端形成一段飛秒光絲；(2)打開風速儀開關，調節探頭位置；(3)打開高壓電源開關，逐漸增加所加載電壓的值至設定值，在已形成的飛秒光絲的尖端觀察到有電暈現象的產生；(4)記錄下風速儀表盤上的風速值，改變風速儀的探頭與飛秒光絲出射尖端的空間位置關系，記錄飛秒光絲尖端不同位置處的產生離子風的速度分布；(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生的離子風的氣流速度及其空間分布；(6)將電壓固定在設定值，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生的離子風的氣流速度分布。與現有技術相比，本專利技術的優點：通過設計出具有特殊幾何結構的電極，可以提升光絲在高壓電場下的電勢加載效率，光絲作為一種導體，同時也具有‘尖端’結構，可以在加載高電勢的條件下產生電暈放電現象并誘導產生離子風。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現長度可控、方向可變的光絲，而電暈主體主要發生在光絲尖端，從而可以實現方向，位置可控的離子風。同時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，實現更廣泛的應用。附圖說明圖1為本專利技術飛秒激光成絲加載高壓后誘導產生離子風的裝置的結構示意圖具體實施方式下面結合實施例和附圖對本專利技術進行詳細介紹，但不應以此限制本專利技術的保護范圍：請參閱圖1，圖1是本專利技術飛秒激光成絲加載高壓后誘導產生離子風的裝置的結構示意圖。由圖可見，該裝置包括飛秒激光器1、聚焦透鏡2、光學平臺3、絕緣塑料螺桿5、絕緣轉換體6、球形銅電極7、絕緣塑料螺桿8、絕緣轉換體9、高壓
電源10和風速儀12。所述的球形銅電極7尾端為一個銅金屬球，中心通有圓柱形孔道，銅金屬球一端有一圓柱形接頭，接頭經絕緣轉換體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平臺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，所述的光學平臺3通過金屬網接地4；所述的球形銅電極主體為金屬球形結構，球形電極的直徑為4cm,在電極中心開設有水平的圓柱形通孔，孔道的內徑為3mm，長為4cm；所述的飛秒激光器1輸出的激光經聚焦透鏡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；所述的風速儀12在飛秒光絲的尾端附近探測電暈放電誘導的離子風的流速。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壁距離約1.5mm。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，由風速儀測出不同位置的離子風的風速。通過調節高壓電源10的輸出電壓值，由0KV、5KV、10KV、15KV、20KV、25KV、30KV、35KV、40KV、45KV、50KV，可以測出在相同位置處誘導產生的離子風的流速。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，可以改變飛秒光絲的空間長度，因此改變光絲尖端的位置，達到改變電暈發生位置的目的，從而實現了在不同位置誘導電暈放電及離子風的目標。本專利技術利用飛秒光絲加載高壓后誘導產生離子風，首次提出了用光絲作為媒介，誘導電暈放電和離子風本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種飛秒激光成絲加載高壓后誘導產生離子風的裝置，特征在于其構成包括：飛秒激光器(1)、聚焦透鏡(2)、光學平臺(3)、絕緣塑料螺桿(5)、絕緣轉換體(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)的中部設有圓柱形接頭，接頭經絕緣轉換體(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平臺(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，所述的光學平臺(3)接地；所述的飛秒激光器(1)輸出的激光經聚焦透鏡(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)的內部中心通道內，后段在球形銅電極(7)外。
【技術特征摘要】
1.一種飛秒激光成絲加載高壓后誘導產生離子風的裝置，特征在于其構成包括：飛秒激光器(1)、聚焦透鏡(2)、光學平臺(3)、絕緣塑料螺桿(5)、絕緣轉換體(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)的中部設有圓柱形接頭，接頭經絕緣轉換體(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平臺(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，所述的光學平臺(3)接地；所述的飛秒激光器(1)輸出的激光經聚焦透鏡(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)的內部中心通道內，后段在球形銅電極(7)外。2.根據權利要求1所述的飛秒激光成絲加載高壓后誘導產生離子風的裝置，其特征在于，還包括絕緣塑料桿(8)、絕緣轉換體(9)和風速儀(12)；所述的風速儀(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...
【專利技術屬性】
技術研發人員：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(專利權)人：中國科學院上海光學精密機械研究所，
類型：發明
國別省市：上海;31
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