激光致僵武器

张藩潇++夏嘉余++王浩

[摘 要]激光致僵武器的核心是利用激光电离击穿空气形成等离子通道。激光电离击穿空气形成等离子通道的过程十分复杂，其运动规律已经不能用经典物理的理论进行解释。因此，在对激光与空气的作用研究时，采用的主要是高速、微观领域的知识进行分析，既作为激光致僵武器重要的前期理论研究，也为后续的仿真实验提供理论支撑。

[关键词]激光致僵；空气击穿；等离子通道

中图分类号：TN249 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）13-0362-01

1 引言

光与空气作用，使该处空气中的粒子被电离，当空气离子化到一定程度，就认定该处空气被击穿。而判断空气击穿的方法有很多，最普遍的有观察法和自由电子收集法。其中，观察法是指当激光与空气的作用区域出现明显、持续的白斑，就可以认为该处的空气被击穿，一般出现的位置大多为焦点及附近区域。并且资料显示，当激光强度达到1014W/cm2以上，击穿时还会出现明亮的闪光并伴随着尖锐的声响，此时的现象与火花放电的现象类似[1]。自由电子收集法是指，激光电离空气产生自由电子，自由电子的数量与空气离子化程度成正比。因此，当单位区域的自由电子密度达到1018cm-3，就能认为该处空气被击穿[2]。相比之下，观察法更直观、更明显，主要是对击穿结果的观察，一般多用于实验时确定空气是否发生击穿；自由电子收集法则注重的是電离空气的过程，能够通过自由电子的变化对空气的电离击穿进行描述，适用于理论研究和电离过程的分析。

2 激光电离空气的过程

激光能将空气电离击穿涉及到多种物理过程，击穿的结果由这些过程共同作用产生，而这些作用于空气电离击穿的过程，其实质都是一定区域内自由电子数量的变化。不同的是，这些过程一部分使区域内自由电子数量增长，另一部分则使区域内自由电子数量减少。因此，本文通过分析影响自由电子数量变化的过程来对空气的电离击穿进行理论研究。空气电离击穿时发生的主要过程如下[3]：

（1）空气中的粒子吸收激光光子的能量发生电离产生自由电子，这是空气中自由电子增长的基础。

（2）自由电子与空气中其他粒子作用产生新的自由电子，并消耗原有自由电子。这个过程存在着一定的随机性，但总体反应会使自由电子数量增加。

（3）自由电子与空气中粒子发生吸附作用使自由电子损失，这是自由电子损耗的主要原因之一，其过程与产生自由电子的过程同时发生。

（4）自由电子因自身运动向四周扩散而导致该区域的自由电子损失，这是自由电子损耗的另一主要原因，与该区域的光束半径和激光的瑞利长度有关。

（5）自由电子的复合损失，这个过程损失的自由电子数量远远小于吸附和扩散损失。

实际上，在激光与空气的作用过程中，自由电子的数量不可能无限增长，当其增长到一定程度，由于损耗作用，自由电子数量会开始下降，最终达到一个动态的平衡。因此，在损耗作用的影响下，根据自由电子的数量能否满足击穿条件，激光强度存在一个理论上的阈值，即：激光强度到达或者超过阈值强度，自由电子的增长能够达到击穿要求；低于阈值强度，则不能达到击穿要求。这个阈值强度代表了粒子能够吸收的光子能量。因此，空气粒子吸收光子能量发生电离的过程是实现击穿空气的基础。

目前，国内外学者在激光对单一气体电离击穿方面进行了大量研究，通过各类模拟和实验手段，积累了大量的数据，并且对于单一气体的电离击穿形成了一定的理论体系。经过研究发现，激光对单一气体的电离方式分为多光子电离和串级电离[4]。但是，空气不是单一气体，单独使用任意一种电离方式都难以完全解释空气的电离击穿过程，因此本文认为空气的电离击穿是由多光子电离、串级电离和空气预电离共同作用的结果。

3 等离子通道形成理论

高强度飞秒脉冲激光在空气中形成能够导电的等离子通道，这一现象已经被证实，但其形成的原因，科学家对此还缺乏合理的解释。人们通过实验以及仿真计算，对飞秒脉冲激光的作用过程提出了多种模型进行解释。其中被大多数人所接受的有三种模型，即移焦模型、自波导模型和动态空间补给模型[5]。

（1）移焦模型。“移焦模型”（Moving Focus Model）由Brodeur和Nibbering等人提出，他们利用“移焦”的概念解释了强激光脉冲在大气传输的过程中形成等离子体的现象是如何形成的。“移焦模型”理论认为飞秒激光在空气中会产生自聚焦现象，并且存在着一个自聚焦临界功率Pcr，因此，它按时间将激光脉冲分成无数层薄层，由于薄层中激光的功率分布不均匀，中心处功率高于边缘处，因此中心处功率会首先超过其自聚焦的临界功率Pcr而发生自聚焦现象，而后由中心处向边缘扩散，最终使整个薄层出现自聚焦现象。

（2）自波导模型。“自波导模型”（Self-wavegiding Model）是布朗等人于1997年提出的。该模型认为，空气中等离子通道的形成是由于强激光脉冲改变空气的折射率，导致激光产生自聚焦使激光束会聚，当激光强度达到击穿强度就会击穿空气，形成等离子体；同时，等离子体的散焦作用使之维持在一个动态的平衡中。

（3）动态空间补给模型。由Mlejnek等人提出的“动态空间补给模型”（Dynamic Spatial Replenishment Model）主要是为了研究超短脉冲激光在空气形成的等离子通道经过长距离传输后，其能量没有显著损失的原因。人们认为其原因是当自聚焦效应与等离子体散焦效应之间形成了动态平衡，等离子体的散焦限制了等离子体的吸收而引起的能量损失，同时，它也阻止了激光脉冲主要部分发生非线性自聚焦的塌缩。随着脉冲前沿电离空气产生等离子体而消耗掉这部分脉冲能量后，散焦效应的强度变弱，在接下来的过程中，自聚焦现象重新变得显著，从而形成了周期性的聚焦与散焦。并且，由于激光初始强度的不同，聚焦与散焦的周期性也不同，因而通道的长度也不一样。

对于上述三种模型，“移焦模型”理论不具有普遍适用性；“自波导模型”考虑影响因素不够完善。因此，本文采用“动态空间补给模型”对飞秒激光形成等离子通道进行分析解释，认为当高功率飞秒激光在空气中传输时，由于飞秒激光自身特性以及激光强度，使部分区域空气的折射率发生了变化，导致激光周期性的自聚焦和等离子体散焦效应的产生，并且在此过程中伴随着激光的衍射、群速度色散、自相位调制以及拉曼色散效应。最终根据激光强度的不同，形成距离不等的等离子通道。

4 结论

本文采用了“动态空间补给模型”对高功率飞秒脉冲激光在空气中形成等离子通道的过程进行描述，确定了其过程为：高功率飞秒激光在传输时引起空气折射率的变化，产生自聚焦效应；聚焦后的激光强度增大并电离击穿空气，形成等离子体；同时，形成的等离子体阻止激光进一步会聚塌缩，对激光具有散焦效应；最终，由于周期性的自聚焦与等离子体散焦共同作用，飞秒脉冲在空气中形成等离子通道，并且通道长度与激光初始强度有关。

参考文献

[1] 傅喜泉，郭弘，胡巍.超短超强激光脉冲在空气中长距离传输的研究进展[J].强激光与粒子束，2002，2：197-200.

[2] 宋娟.强场激光诱导等离子体传输特性的研究[D].武汉：华东师范大学，2008.

[3] 付光宇.超短脉冲强激光高阶克尔效应模拟研究[D].成都：西南交通大学，2013.