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研究人员利用皮秒激光器消除迷雾

导读: 现在,瑞士日内瓦大学和德国通快公司的研究人员,正在使用由皮秒激光器产生的光丝,再次在实验室中穿过迷雾创建出一条路径。

十多年前,法国里昂一大的一个小组在实验室中表明,当超快激光脉冲产生的光丝通过迷雾时,它们的衰减并没有像预期的那样多,因为当光丝本身被阻塞时,它从周围的“光子浴”吸回能量,补充光丝中的能量。

现在,瑞士日内瓦大学和德国通快公司(Trumpf Scientific Lasers) 的研究人员,正在使用由皮秒激光器产生的光丝,再次在实验室中穿过迷雾创建出一条路径,这条路径可能允许其他类型的激光束不受阻碍地穿过迷雾和云层。这种通过皮秒激光在迷雾或云层中“开辟出的无障碍通路”,具有很多潜在应用,包括自由空间通信、遥感,或更为深远地改变局部天气。

冲击波清除雾滴

在实验装置中,利用通快的 Dira碟片激光器产生具有 1.3ps 持续时间、波长 1030nm、能量 100mJ 的脉冲光,该输出光被轻微聚焦到 40cm长的迷雾室中。激光器的重复频率在100~1000Hz 之间变化,平均输出功率为 10~100W。

迷雾通过排气口吹到激光束上,为光束提供总共约 50cm 长的迷雾路径。迷雾本身由平均尺寸为5μm的液滴组成,但其浓度比典型的室外迷雾的浓度高约 100 倍。

飞秒激光产生了三至四根光丝,其大约承载总光束能量的 15%(其余光提供光子浴)。将光束成像到一个屏上,然后通过光学滤光片 CCD照相机成像,该光学滤光片完全阻挡由空气中的非线性光学相互作用产生的较短波长的连续谱,但是仅部分阻挡基频波长。

通过迷雾的光束透射率从 100Hz重复频率下为 0.1%,到 1000Hz 频率下为 32%。在更高的透射率下,整个光束路径上,而不仅仅是成丝自身的路径上,迷雾统统被清除掉了。研究人员假设,光丝中液滴中的能量沉积产生减压(0.5atm)通道,并且空气中由此产生冲击波,从光丝以及更大的光束路径喷射液滴。

图1:计算机模拟显示,在100~1000Hz的重复频率下,由皮秒激光脉冲产生的冲击波,可以清除气缸内浓度随时间变化的水滴。注意,较高的重复频率可使路径上无液滴。

虽然重复频率为 100Hz 光束中的脉冲,可以在一定程度上从光束路径中清除液滴,但是脉冲之间的时间足够长,使得光束中的液滴在脉冲之间得以补充(见图1)。但是重复频率为1000Hz 的光束将产生一种稳定状态,这使得液滴在脉冲之间没有时间重新进入光束路径。

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