[发明专利]模拟飞秒激光与卷积云相互作用的实验装置及其操控方法

说明书

技术领域

本发明涉及人工诱导降雨领域，具体为激光诱导卷积云内部的水汽凝结以及沉降，特别是一种模拟飞秒激光与卷积云相互作用的小型实验装置及其操控方法。

背景技术

人工影响天气，是指为避免或者减轻气象灾害，合理利用气候资源，在适当条件下通过科技手段对局部大气的物理、化学过程进行人工影响，实现增雨雪、防雹、消雨、消雾、防霜等目的的活动。

迄今为止，传统的方法主要是在云层中播撒小颗粒的干冰，碘化银以及其他的盐。由于人工降雨降雪对农业和人类其他活动有重要的影响，因此，研究人工降雨降雪问题尤为重要。近年来，随着飞秒激光技术的迅猛发展，超强超短激光脉冲射入空气中被证明能产生一条等离子体通道，即激光光丝，光丝能产生吸湿性物质形成凝结核从而诱导激发水汽凝结及沉降过程。基于激光光丝独特的性质，激光光丝在飞秒激光诱导水凝结方面有许多潜在的应用，且引起广泛的关注。因此，开展相关的基础研究和应用探索研究具有十分重要的意义。

目前，关于激光诱导水凝结在空气和云室中的相关研究已经展开

[参见文献：

1.P.Rohwetter et al.,Nature Photonics 4,451(2010)；

2.J.Kasparian,L.and J.-P.Wolf,Optics&Photonics News 21(7),22,(2010)；

3.Y.Petit et al.,Applied Physics Letters 97,021108(2010)；

4.Y.Petit,et al.,Applied Physics Letters 98,041105(2011)；

5.K.Yoshihara et al.,Proc Japan Academy.Series B,Physical&Biological Sciences 83,320(2007)；

6.D.Mogin et al,Sci.Rep.5,14978(2015)；

7.J.Ju et al,PRE,88 062803(2013)；

8.J.Ju et al,Applied Physics B 117,1001-1007(2014)；

9.H.Sun et al,Applied Physics B 121,155-169(2015)；

10.H.Liang et al,Chin.Opt.Lett.13(3),033201(2015)；

11.Y.Liu et al,Opt.Express 24,7364-7373(2016)；

12.Ju J,Liu J,Hong L,et al.Scientific Reports 6,25417(2016).]

其中，激光与卷积云的相互作用尤为引人关注。卷云一般大面积形成于对流层的上层，其高度在6至12公里之间，温度低于-37℃，并且由于所有的水均通过均相成核冻结，卷云中只含有冰。中纬度卷云中的降水主要依赖于由冰活性气溶胶颗粒促进的过冷云滴的非均相冻结以及随后通过水蒸气沉积和边缘的冰颗粒长。由于良好的冰核在大气中非常罕见，冰和液体云粒子可以在高于-37℃的温度下共存。因此碘化银或干冰等冰活性物质可以用于诱导人工降雨，但是此方法价格昂贵，不确定性大而且易于造成环境污染。飞秒激光可以在大气湍流以及云中成丝，因此可以传播很长的距离，便于远程遥控，并且成本小，准确度极高。因此，飞秒激光产生的等离子通道(光丝)与卷云的相互作用具有极大的研究价值。

模拟飞秒激光与卷积云相互作用的小型实验装置及其操控方法，其核心技术是控制飞秒激光诱导水凝结模拟系统中云室环境的温度与湿度。目前采用的方法有在云室底板下面盘冷凝管，然后通过压缩机压缩冷却冷凝管的方式来调整腔室的环境温度，并通过加热云室上方水库中的电阻丝来增加湿度，这种方法结构复杂，成本较高，温湿度不能精确控制，而且达不到卷云的温湿度需求。另外，也有通过干冰制冷的方式调节云雾室内的温度，干冰由于其易挥发等特点，在制冷方面有广泛的应用。干冰制冷的方法操作简易，成本也比较低，但是由于其及易挥发，升华为比固体体积大600-800倍的气体二氧化碳，所以利用干冰制冷不能在密封性能好、体积较小的容器中，容易引起爆炸，同时，干冰制冷虽然温度可以达到-37摄氏度，但环境温度不易维持。还有一种基于半导体制冷的方法，即在云室上方加上半导体制冷片，该系统结构简单，操作安全方便，但是依然存在温度梯度，云室内部温度不均匀，并且湿度不可控。