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扮演宙斯！用激光引导闪电-中科院物理所

2023-01-29 23:07河南

图1：实验人员在桑蒂斯山进行激光引导闪电的实验。

图源：TRUMPF/MARTIN STOLLBERG

自古以来，闪电让人类既着迷又恐惧。根据卫星数据，全球总闪电频率（包括云对地闪电和云之间的闪电）估计在每秒 40 到 120 次之间，其剧烈放电过程可以造成相当大的破坏和人员伤亡。迄今为止，记录的闪电死亡人数远远超过 4,000 人，每年闪电造成的损失高达数十亿美元。

鉴于防雷的重要性，人们对雷电防护的研究已经有很多年的历史。然而，目前为止，人们主要使用的避雷方法仍然是已经被发明了近三百年的被动避雷方法——避雷针。

近日，研究人员首次实验证明了激光感应细丝（由短而强的激光脉冲在天空中形成）可以将闪电放电引导相当远的距离，从而实现主动的人工引雷，这一实验进展是雷电防护和闪电物理学的重大突破。

这项工作不仅是人类自发明避雷针以来最重要的防雷技术突破，也为激光在大气层的新应用铺平了道路，在通信、林草、交通、电力、石化等领域的主动避雷方面具有重要应用前景。

18世纪，由本杰明·富兰克林发明的避雷针是目前应用最广泛的雷电防护方法。避雷针是由一根连接到地面的尖头导电杆组成， 它通过为闪电提供优先打击点并将其电流安全地引导至地面来保护建筑物及其周围环境，是一种被动引雷方法。但是由于避雷针的尺寸是有限的，这意味着它们保护的区域也往往比较小。因此，在实际应用中，建筑物往往需要布置很多避雷针来实现安全的防雷效果。

1965 年，Newman 等人演示了一种火箭拖曳导线的人工引雷方法。不同于经典避雷针的被动引雷，火箭拖曳导线是一种主动引雷方法。在实验中，Newman用小型火箭将长长的导线快速插入雷云下方附近的强电场中，会导致电线尖端的电场增强到足以产生电击穿。如果在满足闪电条件的适当时刻发射小型火箭，这种方法可以引发闪电，成功率高达 90%。然而，这种避雷方法需要用到昂贵的火箭和电线，而且落下的火箭碎片会带来危险，难以大规模推广应用。

图2：研究人员用高速摄像机等多种设备测量闪电过程

图源： (2023).

随着激光技术的发展，人们开始思考使用激光主动引导闪电放电的可能性。这一激光避雷的想法最早是由 Ball在1974年提出的。在1999 年，Uchida 等人首次使用三台具有千焦耳能量的激光组合形成2米长的等离子火花，尝试用激光触发和引导自然闪电。

而近日研究人员首次在实验上实现了利用激光成丝（laser filamentation）过程来引导闪电放电的主动避雷方法。

激光避雷针（filament lightning rod）的原理如下：实验中，研究人员向带电云层发送强烈而短的激光脉冲。激光在空气的传播过程中会经历丝状化（filamentation）过程：由于激光引起的空气折射率的变化，激光脉冲的尺寸就会缩小，从而经历一个自聚焦的过程。激光脉冲最终变得足够强烈，因此可以在高场过程中电离空气分子。

由于空气的电离会产生自由电子，因此激光脉冲的进一步传播会由光束的自聚焦过程和由于自由电子的存在引起的散焦效应之间的动态竞争决定。这两个过程的竞争会使得激光在长距离上保持电离激光脉冲的窄通道。而沿着这些细丝状区域，空气分子被吸收的激光能量迅速加热，并以超音速径向排出，会留下密度降低的长寿命空气通道。这些持续时间为毫秒的低密度通道具有更高的电子电导率，因此为放电提供了优先路径。

由激光细丝触发和引导的数米长的放电已在实验室中得到证明，并且已证明它们可以成功地与传统避雷针竞争。当皮秒持续时间的初始脉冲功率在太瓦 (10 W) 范围内时，丝状化的电离长度可以达到一百米。此外，研究人员还可以通过调控激光的参数来控制成丝过程，使其在距激光源一公里远的地方启动。因此可以想象，在适当的天气条件下，丝状通道可以用于引导甚至可能触发闪电放电。

图3 高速摄像机抓拍到的激光引雷瞬间

图源：Xavier Ravinet-University of Geneva

2021 年夏季，由25 名研究人员组成的研究团队在瑞士东北部的 Säntis 山上使用了一种价值 200 万欧元高重复率太瓦激光器进行了激光避雷实验。如图2所示，研究人员在 124 米高的电信塔附近安装了一个 Yb:YAG 激光发射脉冲，该激光脉冲持续时间为皮秒，能量为 500mJ，波长为 1030nm，重复频率为 1kHz。

据记载，这座塔每年被闪电击中约 100 次，研究人员在这座塔上配备了多个传感器来记录闪电电流、不同距离的电磁场、X 射线和闪电放电的辐射源。

经过 10 周的观察，研究小组发现激光在 6 小时的雷暴期间引导了 4 次闪电事件。高速摄像机清楚地显示出沿着激光束的直线进行撞击，而不是采用自然界中闪电传统分支路径。

实验中，研究人员利用两个独立的高速摄像机发现一个向上的负闪电能够在 50 米距离内被激光有效引导。在其他三个实例中，甚高频干涉测量证实了激光细丝对负闪电具有高效的引导作用，并且在引导闪电事件中检测到的 X 射线爆发的数量大大增加。

正如领导该项目的巴黎应用光学实验室的物理学家 Aurélien Houard 所说，“这就像用激光在空气中钻一个洞，在未来的使用中，类似的激光将引导雷击远离敏感装置，从而在人们想要的地方放电。”

尽管激光避雷研究领域已经非常活跃了 20 多年，但这是第一个通过实验证明激光引导闪电的结果。这篇论文证明了，由短而强的激光脉冲形成的细丝可以在相当长的距离内有效引导闪电放电。鉴于目前激光引雷技术的灵活性、有效性和易得性，这一激光避雷技术不仅是现有避雷针被动防护方法的有效拓展，而且将对未来建筑的防雷避雷设计产生重要影响。

参考文献

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

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来源：中国光学

原标题：Nat. Photon. | 扮演宙斯！用激光引导闪电

编辑：TT