扮演宙斯！用激光引導閃電-中科院物理所

2023-01-29 23:07河南

圖1：實驗人員在桑蒂斯山進行激光引導閃電的實驗。

圖源：TRUMPF/MARTIN STOLLBERG

自古以來，閃電讓人類既著迷又恐懼。根據衛星數據，全球總閃電頻率（包括云對地閃電和云之間的閃電）估計在每秒 40 到 120 次之間，其劇烈放電過程可以造成相當大的破壞和人員傷亡。迄今為止，記錄的閃電死亡人數遠遠超過 4,000 人，每年閃電造成的損失高達數十億美元。

鑒于防雷的重要性，人們對雷電防護的研究已經有很多年的歷史。然而，目前為止，人們主要使用的避雷方法仍然是已經被發明了近三百年的被動避雷方法——避雷針。

近日，研究人員首次實驗證明了激光感應細絲（由短而強的激光脈沖在天空中形成）可以將閃電放電引導相當遠的距離，從而實現主動的人工引雷，這一實驗進展是雷電防護和閃電物理學的重大突破。

這項工作不僅是人類自發明避雷針以來最重要的防雷技術突破，也為激光在大氣層的新應用鋪平了道路，在通信、林草、交通、電力、石化等領域的主動避雷方面具有重要應用前景。

18世紀，由本杰明·富蘭克林發明的避雷針是目前應用最廣泛的雷電防護方法。避雷針是由一根連接到地面的尖頭導電桿組成， 它通過為閃電提供優先打擊點并將其電流安全地引導至地面來保護建筑物及其周圍環境，是一種被動引雷方法。但是由于避雷針的尺寸是有限的，這意味著它們保護的區域也往往比較小。因此，在實際應用中，建筑物往往需要布置很多避雷針來實現安全的防雷效果。

1965 年，Newman 等人演示了一種火箭拖曳導線的人工引雷方法。不同于經典避雷針的被動引雷，火箭拖曳導線是一種主動引雷方法。在實驗中，Newman用小型火箭將長長的導線快速插入雷云下方附近的強電場中，會導致電線尖端的電場增強到足以產生電擊穿。如果在滿足閃電條件的適當時刻發射小型火箭，這種方法可以引發閃電，成功率高達 90%。然而，這種避雷方法需要用到昂貴的火箭和電線，而且落下的火箭碎片會帶來危險，難以大規模推廣應用。

圖2：研究人員用高速攝像機等多種設備測量閃電過程

圖源： (2023).

隨著激光技術的發展，人們開始思考使用激光主動引導閃電放電的可能性。這一激光避雷的想法最早是由 Ball在1974年提出的。在1999 年，Uchida 等人首次使用三臺具有千焦耳能量的激光組合形成2米長的等離子火花，嘗試用激光觸發和引導自然閃電。

而近日研究人員首次在實驗上實現了利用激光成絲（laser filamentation）過程來引導閃電放電的主動避雷方法。

激光避雷針（filament lightning rod）的原理如下：實驗中，研究人員向帶電云層發送強烈而短的激光脈沖。激光在空氣的傳播過程中會經歷絲狀化（filamentation）過程：由于激光引起的空氣折射率的變化，激光脈沖的尺寸就會縮小，從而經歷一個自聚焦的過程。激光脈沖最終變得足夠強烈，因此可以在高場過程中電離空氣分子。

由于空氣的電離會產生自由電子，因此激光脈沖的進一步傳播會由光束的自聚焦過程和由于自由電子的存在引起的散焦效應之間的動態競爭決定。這兩個過程的競爭會使得激光在長距離上保持電離激光脈沖的窄通道。而沿著這些細絲狀區域，空氣分子被吸收的激光能量迅速加熱，并以超音速徑向排出，會留下密度降低的長壽命空氣通道。這些持續時間為毫秒的低密度通道具有更高的電子電導率，因此為放電提供了優先路徑。

由激光細絲觸發和引導的數米長的放電已在實驗室中得到證明，并且已證明它們可以成功地與傳統避雷針競爭。當皮秒持續時間的初始脈沖功率在太瓦 (10 W) 范圍內時，絲狀化的電離長度可以達到一百米。此外，研究人員還可以通過調控激光的參數來控制成絲過程，使其在距激光源一公里遠的地方啟動。因此可以想象，在適當的天氣條件下，絲狀通道可以用于引導甚至可能觸發閃電放電。

圖3 高速攝像機抓拍到的激光引雷瞬間

圖源：Xavier Ravinet-University of Geneva

2021 年夏季，由25 名研究人員組成的研究團隊在瑞士東北部的 S?ntis 山上使用了一種價值 200 萬歐元高重復率太瓦激光器進行了激光避雷實驗。如圖2所示，研究人員在 124 米高的電信塔附近安裝了一個 Yb:YAG 激光發射脈沖，該激光脈沖持續時間為皮秒，能量為 500mJ，波長為 1030nm，重復頻率為 1kHz。

據記載，這座塔每年被閃電擊中約 100 次，研究人員在這座塔上配備了多個傳感器來記錄閃電電流、不同距離的電磁場、X 射線和閃電放電的輻射源。

經過 10 周的觀察，研究小組發現激光在 6 小時的雷暴期間引導了 4 次閃電事件。高速攝像機清楚地顯示出沿著激光束的直線進行撞擊，而不是采用自然界中閃電傳統分支路徑。

實驗中，研究人員利用兩個獨立的高速攝像機發現一個向上的負閃電能夠在 50 米距離內被激光有效引導。在其他三個實例中，甚高頻干涉測量證實了激光細絲對負閃電具有高效的引導作用，并且在引導閃電事件中檢測到的 X 射線爆發的數量大大增加。

正如領導該項目的巴黎應用光學實驗室的物理學家 Aurélien Houard 所說，“這就像用激光在空氣中鉆一個洞，在未來的使用中，類似的激光將引導雷擊遠離敏感裝置，從而在人們想要的地方放電。”

盡管激光避雷研究領域已經非常活躍了 20 多年，但這是第一個通過實驗證明激光引導閃電的結果。這篇論文證明了，由短而強的激光脈沖形成的細絲可以在相當長的距離內有效引導閃電放電。鑒于目前激光引雷技術的靈活性、有效性和易得性，這一激光避雷技術不僅是現有避雷針被動防護方法的有效拓展，而且將對未來建筑的防雷避雷設計產生重要影響。

參考文獻

Houard, A., Walch, P., Produit, T. et al. Laser-guided lightning. (2023).

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來源：中國光學

原標題：Nat. Photon. | 扮演宙斯！用激光引導閃電

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