用于产生长距离可控高压放电激光诱导放电方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了用于产生长距离可控高压放电的激光诱导放电系统，包括：高功率超短脉冲激光光源、引导光路、放电系统和控制系统；激光经引导光路后入射至放电系统，激光与放电的空间配合关系由引导光路决定，激光与放电的时间配合关系由控制系统决定；引导光路，由若干反射镜与一面凸透镜组成，凸透镜与棒电极端部的距离所述控制系统获取激光信号启动放电模块；控制系统还设置触发时延δt＝1ms

【技术实现步骤摘要】
用于产生长距离可控高压放电激光诱导放电方法及系统


[0001]本专利技术涉及高电压应用
，具体来说是一种用于产生长距离可控高压放电激光诱导放电方法及系统。

技术介绍

[0002]激光诱导放电是利用激光的可控性和放电的大能量，达到光电能量耦合的一种技术，在精密加工、高压开关同步等领域广泛应用，在激光引雷、远距离探测等领域具有潜在应用价值。目前，纳秒脉冲激光在激光诱导放电领域中的应用较为成熟，但由于纳秒脉冲激光脉宽长，能量高的特征，激光在空气介质中传播时会在空气中产生电子崩以形成击穿火花，对脉冲后沿的激光产生屏蔽作用，无法形成连续的等离子体通道，激光能量也因为空气击穿在传播过程中衰减迅速，严重限制了等离子体通道长度，无法实现高压放电的长距离引导，使激光诱导放电在激光引雷、远距离探测等领域的发展受到限制。
[0003]如申请号为CN201910001377.1公开的一种基于双脉冲的激光诱导间隙击穿开关设备，包括：光纤联控激光触发开关装置、信号耦合装置、及控制检测装置；光纤联控激光触发开关装置包括箱体、第一平凸透镜、中空电极、平板电极、及第一光纤连接器；控制检测装置包括双脉冲纳秒激光器、及可编程脉冲延迟发生器；双脉冲纳秒激光器产生首脉冲激光及主脉冲激光，并聚焦到平板电极上；可编程脉冲延迟发生器对首脉冲激光及主脉冲激光的时间间隔进行调节。较弱的首脉冲激光经过光纤聚焦器进入箱体内，诱导产生初始的等离子体；随后主脉冲二次轰击到平板电极的激光能量较高，诱导产生高温高密度的主等离子体，有效地引导间隙击穿放电路径，从而避免激光触发间隙放电过程中的开关抖动和触发延时。该开关设备一定程度上能够解决开关抖动和触发延时的问题，但是依然无法实现高压放电的长距离引导。
[0004]近年，超短脉冲激光技术迅猛发展，相较于该技术开创前所使用的高能量纳秒激光，高功率超短脉冲激光在介质中传播时会产生非线性光学效应，利用克尔自聚焦效应和等离子体散焦效应的动态平衡，克服了纳秒激光等离子体通道不连续、距离短的缺点，能够在空气中电离产生连续的长等离子体通道，在引导长距离高压放电、远距离探测等领域具有良好的应用前景。基于超短脉冲激光在空气中的电离与传播机理，这一长等离子体通道在时间和空间上具有其特有的电学特性分布特征，导致激光参数、放电系统参数以及激光与放电系统的时空配合均对高压放电的触发和引导特性具有不同的影响。综上，需要一种激光诱导放电系统，具有稳定的触发和引导特性，用于产生长距离的可控高压放电，推进激光引雷、远距离探测等领域的发展。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题在于提供一种具有稳定的触发和引导特性的长距离的可控高压放电系统。
[0006]本专利技术通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：
[0007]用于产生长距离可控高压放电激光诱导放电系统，包括激光系统、引导光路、放电模块和控制系统；所述激光系统的激光光源为高功率超短脉冲激光光源；
[0008]所述控制系统接受激光系统的激光信号，根据激光信号启动放电模块；所述控制系统还设置触发时延，
[0009]所述引导光路包括多个反射镜和一个凸透镜；激光经多个反射镜后到达凸透镜，经过凸透镜到达放电模块；所述凸透镜与放电模块的棒电极端部的距离通过以下公式计算：
[0010][0011][0012]k指波数，a0指光斑半径，P指激光峰值功率，P
c
指激光产生电离成丝的临界功率，f为凸透镜的焦距，z
f
为激光入射空隙自聚焦效应；
[0013]所述时延δt＝1ms
‑
t
d
‑
t
f
，t
d
指所述放电模块中冲击电压发生器一级球隙触发到操作冲击电压波形加载至棒电极的时间，t
f
指冲击电压波形的上升沿时间。
[0014]本专利技术的激光诱导放电系统能够在激光到达棒电极的时刻产生从棒电极端部出发沿激光路径发展的米级放电，实现放电起始时刻可控，放电路径可控的长距离可控高压放电。
[0015]进一步的，所述激光光源为基于掺钛蓝宝石增益介质与啁啾脉冲放大技术产生重复频率10Hz、波长800nm、mJ级能量、fs或ps级脉宽超短脉冲激光。
[0016]进一步的，所述凸透镜的几何焦距为10m。
[0017]进一步的，所述放电模块包括冲击电压发生器、棒电极，所述冲击电压发生器能够产生峰值1.6MV以上的负极性操作冲击电压，棒电极的棒
‑
板间隙距离大于等于2m，棒电极端部曲率半径10mm，棒电极接高压，板电极接地。
[0018]进一步的，所述控制系统包括光电探测器、示波器、时延控制器、电光
‑
光电转换模块，所述光电探测器与示波器连接，所述示波器与时延控制器连接，所述时延控制器与电光
‑
光电转换模块连接，所述电光
‑
光电转换模块与放电模块连接。
[0019]与上述方法对应的，本专利技术还提供一种用于产生长距离可控高压放电激光诱导放电方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0020]步骤1、搭建放电系统，放电系统包括激光光源、引导光路、放电模块和控制系统；所述激光系统的激光光源为高功率超短脉冲激光光源；所述控制系统接受激光系统的激光信号，根据激光信号启动放电模块；所述控制系统还设置触发时延；
[0021]所述引导光路包括多个反射镜和一个凸透镜；激光经多个反射镜后到达凸透镜，经过凸透镜到达放电模块；所述凸透镜与放电模块的棒电极端部的距离通过以下公式计算：
[0022][0023][0024]k指波数，a0指光斑半径，P指激光峰值功率，P
c
指激光产生电离成丝的临界功率，f为凸透镜的焦距，z
f
为激光入射空隙自聚焦效应；
[0025]所述时延δt＝1ms
‑
t
d
‑
t
f
，t
d
指所述放电模块中冲击电压发生器一级球隙触发到操作冲击电压波形加载至棒电极的时间，t
f
指冲击电压波形的上升沿时间；
[0026]步骤2、启动激光光源，控制系统探测激光光源的第一束激光输出信号，形成触发信号，将触发信号传输给冲击电压发生器；
[0027]步骤3、冲击电压发生器收到电信号后触发放电，控制系统的时延设置使得激光系统的第二束信号能够与冲击电压发生器加载在棒电极的电压脉冲时间重合，使放电沿激光路径发展。
[0028]进一步的，所述激光光源为基于掺钛蓝宝石增益介质与啁啾脉冲放大技术产生重复频率10Hz、波长800nm、mJ级能量、fs或ps级脉宽超短脉冲激光。
[0029]进一步的，所述凸透镜的几何焦距为10m。
[0030]进一步的，所述放电模块包括冲击电压发生器、棒电极，所述冲击电压发生器能够产生峰值1.6MV以上的负极性操作冲击电压，棒电极的棒
‑
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.用于产生长距离可控高压放电激光诱导放电系统，其特征在于，包括激光系统、引导光路、放电模块和控制系统；所述激光系统的激光光源为高功率超短脉冲激光光源；所述控制系统接受激光系统的激光信号，根据激光信号启动放电模块；所述控制系统还设置触发时延，所述引导光路包括多个反射镜和一个凸透镜；激光经多个反射镜后到达凸透镜，经过凸透镜到达放电模块；所述凸透镜与放电模块的棒电极端部的距离通过以下公式计算：凸透镜到达放电模块；所述凸透镜与放电模块的棒电极端部的距离通过以下公式计算：k指波数，a0指光斑半径，P指激光峰值功率，P
c
指激光产生电离成丝的临界功率，f为凸透镜的焦距，z
f
为激光入射空隙自聚焦效应；所述时延δt＝1ms
‑
t
d
‑
t
f
，t
d
指所述放电模块中冲击电压发生器一级球隙触发到操作冲击电压波形加载至棒电极的时间，t
f
指冲击电压波形的上升沿时间。2.根据权利要求1所述的用于产生长距离可控高压放电激光诱导放电系统，其特征在于，所述激光光源为基于掺钛蓝宝石增益介质与啁啾脉冲放大技术产生重复频率10Hz、波长800nm、mJ级能量、fs或ps级脉宽超短脉冲激光。3.根据权利要求1或2所述的用于产生长距离可控高压放电激光诱导放电系统，其特征在于，所述凸透镜的几何焦距为10m。4.根据权利要求1或2所述的用于产生长距离可控高压放电激光诱导放电系统，其特征在于，所述放电模块包括冲击电压发生器、棒电极，所述冲击电压发生器能够产生峰值1.6MV以上的负极性操作冲击电压，棒电极的棒
‑
板间隙距离大于等于2m，棒电极端部曲率半径10mm，棒电极接高压，板电极接地。5.根据权利要求1或2所述的用于产生长距离可控高压放电激光诱导放电系统，其特征在于，所述控制系统包括光电探测器、示波器、时延控制器、电光
‑
光电转换模块，所述光电探测器与示波器连接，所述示波器与时延控制器连接，所述时延控制器与电光
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光电转换模块连接，所述电光
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光电转换模块与放电模块连接。6.用于产生长距离可控高压放电激光诱导放电方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、搭建放电系统，放电系统包括激光光源、引导光路、放电模...

【专利技术属性】
技术研发人员：裴哲浩，陈维江，傅中，张乔根，朱太云，刘禹舜，杜斌，黄胜鑫，刘静，樊星，刘晓松，
申请(专利权)人：西安交通大学合肥工业大学国家电网有限公司，
类型：发明
国别省市：