【教学素材】激光引雷——《静电的防止与引用》的拓展

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。

具体实验：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。

实验结果：

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。

来源：

Nat. Photon. | 扮演宙斯！用激光引导闪电——中国光学

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