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利用激光产生强电磁脉冲


 来源:中国工程物理研究院激光聚变研究中心 易涛    上传时间:2018-09-04   访问量:78   最近访问时间:2018-09-22   

利用激光产生强电磁脉冲

 

电磁脉冲是指电磁能量瞬态集中发射产生脉冲辐射效应,在国防科技、天体物理等研究领域中有着重要应用。如何实现高功率的电磁脉冲辐射技术是科研人员探索和研究的重要目标之一。随着激光技术的进步,科研人员们发现利用强激光辐照金属材料会产生电磁脉冲辐射,这种利用激光产生的电磁脉冲,脉冲短、功率高、频谱宽的特点,辐射频率非常高可达到10亿赫兹以上,电场峰值强度可以达到几百千伏每米,是一种产生强电磁脉冲新方式。

相比于传统的强电流激励电磁脉冲发射方式而言,利用激光产生电磁脉冲的技术具有三大技术优势,功率密度高、转换效率高和调节方式灵活。激光产生的强电磁脉冲,其能量注入取决于激光的功率,即激光脉冲的能量和脉冲宽度之比。一般而言,激光注入功率越大,产生的电磁脉冲辐射功率越高。目前人们可以将激光脉冲宽度压缩到数个皮秒到数百飞秒尺度的脉冲,在十万亿分之一秒到百万亿之一秒的极短时间内实现激光能量释放,从而高功率激光能量注入,能够大幅提升电磁辐射的功率密度。

利用激光产生电磁脉冲还有转换效率高的优点,这个优点来源于其转换介质——等离子体。等离子体是物质存在的第四态,是一种由离子和自由电子组成的类似“浆糊”的气体状态。传统的电脉冲激励需要复杂的高压强流电装置,由于电阻的存在,强电流在经过电路时会产生热效应,消耗掉部分能量,并且导致系统快速发热造成故障,制约了电能转换成电磁辐射的效率。利用激光产生电磁脉冲的方式中,强激光辐照金属材料上会在极短时间内使得金属气化并电离成等离子体,等离子体继续吸收激光脉冲被加热,其温度继续提高。由于摆脱了固体和液体状态下原子之间的相互约束,被激光加热的等离子体中的自由电子和离子会在空间加速运动形成电磁辐射,将激光能量转换电磁辐射。由于电子和离子在空间运动不会产生电路的发热耗散的问题,也不受到电路载荷的约束,极大提高了能量转换效率。

利用激光产生电磁脉冲这项技术还具有调节方式灵活的优点,技术人员还可以通过调整激光的能量、脉冲宽度和波长,改变金属材料的材质、形状等多种方式来调控电磁脉冲发射,实现特定波长和波形的电磁脉冲发射。

我国主要由中国工程物理研究院激光聚变研究中心依托其自主研制的神光系列高功率激光装置上进行利用激光产生超宽谱电磁脉冲研究,该项技术获得第二届四川电子科学技术奖三等奖,并且已经申报相关技术专利。该项技术将在未来国防科技研究中发挥重要的作用。

 

作者:易涛中国工程物理研究院激光聚变研究中心副研究员四川省电子学会电子线路、雷达与火控专委会 、电磁脉冲与雷电防护技术专委会委员。

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