创新避雷针——用激光让雷电“绕路”
Aurélien Houard
国立高等先进技术学校（巴黎综合理工大学）研究员
传统避雷针只能通过吸引雷电避免雷击的直接破坏，却无法避免电子干扰、电涌等雷击等间接危害，甚至会将其放大。法国国立高等先进技术学校联合多方团队研发的激光避雷技术，可以扩大雷击保护范围，引导雷电的走向。
雷击每年导致全球范围6千到2.4万人死亡。
传统避雷针用于抵御雷击，但覆盖范围小，还可能增强电子干扰或电涌等间接危害。
激光避雷针项目希望能用激光避雷针引导雷击路径。
激光避雷针技术使用超强超短每秒1000脉冲的激光。
激光可以让雷电“绕路”，但其保护效果仍有待进一步优化。
国立高等先进技术学校研究员Aurélien Houard正牵头一个欧盟资助的研究团队。该团队聚集了日内瓦大学、瑞士西北应用科学与艺术大学、瑞士洛桑联邦理工学院三所高校的力量，参与方还包括德国通快集团的Scientific Lasers子公司、André Mysyrowicz教授（顾问）、阿丽亚娜空间公司。团队研发的激光光丝技术可以引导雷击路径，相比传统避雷针，这一技术应用对机场等重要基础设施也许能起到更好的保护效果。
雷电是一种严重的自然灾害，每年在全球范围造成6千到2.4万人死亡，还会导致断电、森林火灾、电子设备损坏，每年引发价值数十亿美元损失。
雷电产生，是因为雷雨云中冰晶的凇附、水滴在空气对流中破碎，空气电离形成等离子体，产生大量正负电荷，达到一定电位差后就会放电。
现在最主流的避雷方法仍是300年前本杰明·富兰克林发明的避雷针。避雷针由导电金属制成，引导雷电向避雷针放电，并将电流导入大地。但这种避雷针覆盖范围有限，保护区域半径不超过其自身高度。而且传统避雷针结构只能通过吸引雷电避免雷击的直接破坏。对于电子干扰、电涌等雷击等间接危害，避雷针甚至会将其放大。
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森蒂斯峰上的“移动避雷针”
早在上世纪70年代，科学家便开始考虑使用强力激光避雷针作为一种新型的“移动避雷针”。五十年前，在实验室环境中已经能用长脉冲激光引导几米内的电荷移动，电压可达百万伏特。但直到90年代飞秒激光的发明以及长脉冲光丝的发现，对激光避雷的应用才真正实现了突破。激光避雷技术的原理是将激光束射向云层，形成高强度激光光丝，电离空气中的氮和氧分子，产生自由电子。电离的空气导电性强于周边区域，从而引导雷击。
Aurélien Houard和同事于2021年夏天在瑞士东北部的阿尔卑斯山森蒂斯峰进行了测试。森蒂斯峰高达2500米，雷击频繁，位于峰顶124米高的通信塔每年遭到雷击100多次。研究人员们在通信塔周围部署了激光设备。设备的开发和实验室测试共花了4年时间，可发射皮秒激光脉冲，能量达500mJ，速率为每秒1000脉冲。
“激光避雷对通信塔的保护半径从120米扩大了180米。”
在为期三个月的实验中，通信塔经历雷击16次，其中有4次激光设施处于运行状态，均成功将雷击引离通信塔。研究人员使用两个高速摄像机记录了其中一次雷击的路线，发现雷电在达到通信塔位置前按照激光路线行进了60米，也就是说激光避雷对通信塔的保护半径从120米扩大到了180米。
这一技术投入应用可保护机场、发射台、核电厂、大楼、森林免遭雷击破坏。激光避雷设施可在探测到雷雨天时开启。
Houard说：“激光避雷针项目由我的团队及我们在瑞士的合作伙伴、日内瓦大学的Jean-Pierre Wolf共同发起。我们研究激光成丝和超强激光脉冲已经20年了。此前我们实验室的实验多次成功，再加上现在有了新的超强超短每秒1000脉冲的激光技术，使我们有信心启动这一项目。”
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多方合作促成功
激光发射技术的实际开发由通快集团位于慕尼黑的Scientific Lasers子公司承担。“我们委托通快制造最高强度的激光设施，订购了一台1焦耳激光器。然后我们与瑞士洛桑联邦理工学院的专家们组成研究团队。André Mysyrowicz教授早在20年前就参与过本项目的启动工作，近年以顾问的身份回归了项目。参与项目的还有法国阿里亚娜空间公司，阿丽亚娜对激光避雷很感兴趣，可保护机场和阿丽亚娜火箭。”
除了使用最强的激光发射器，实验选址也很重要。Houard说：“森蒂斯峰是欧洲雷击最频繁的区域，而且雷电还常常击打同一个地点，我们的激光设备有许多机会与雷电‘交锋’，很适合我们的实验。雷电实验很复杂，可能需要几个月乃至几年才能等到闪电击中某个特定点。”
图片来源：PI France
由于激光器价格不菲，研究团队向欧盟申请了资金。“这个过程很漫长，因为我们申请的是合作研究资金（至少3个国家、3个合作方参与），类别是有利于社会的‘突破性研究’。”
Houard补充道：“为申请资金，我们首先要证明实验室环境中激光能控制几米范围内的电荷，取得了成功。但是因为自然雷电的电场范围完全不同，我们当时无法确定激光是否能引导实际情况中更远距离的电荷。”
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功夫不负有心人
项目初期，研发过程的复杂程度超过研究人员最初的预计，通快的激光器研发花了两年时间。研发环节后又对设备进行了测试，确保能产生长度超过100米的光丝。但当正要开始实验时，新冠疫情爆发，实验被迫中止。Houard回忆道：“整个项目被迫推迟一年，不得不申请额外的资金支持。”
除了资金问题，还有很多实施过程中的困难，比如把5吨重、9米长的激光机运上峰顶。“只有缆车能上峰顶，所以只好将机器拆卸后再缆车运送。峰顶需要搭建设施放置望远镜，用于将激光对准大气层里的位置。我们坐直升机来回好几次，前前后后花了一个月才等到风不大、雪不多的好天气安装设备。”
“雷电实验很复杂，可能需要几个月乃至几年才能等到闪电击中某个特定点。”
首次发射激光前，研究团队还需要获得当地政府的许可，因为每次启动实验都需要设立5公里的禁飞区。最终一切辛苦都有了回报。“峰顶的云层常常会挡住闪电，但我们很幸运，从两个角度捕捉到了雷电转向的照片。我们在《自然光子学》发表文章详细描述了观察到的现象，吸引了很多媒体报道。”
但研究人员称未来还有大量科研工作要继续开展。“我们现在可以证明激光可以引导雷电，但还不能量化激光提供的保护能达到传统的避雷针效果。为此，还需要证明只要激光器打开，雷电就一定会沿激光光丝的路径行进。”
Houard总结道：“富兰克林发明的避雷针已经使用了几百年，历经了大范围的使用和测试。激光避雷针问世时间尚短，我们仍未完全了解其物理学原理。”
作者
Isabelle Dumé
编辑
https://llr-fet.eu
https://www.epjap.org/articles/epjap/full_html/2021/01/ap200243/ap200243.html
https://www.nature.com/articles/s41566-022–01139z
