更有效的新系统：激光避雷针，可以清楚地看到闪电！

几个世纪以来，避雷针一直被用来引导雷击，但现在科学家们展示了比简陋的金属棒更先进的东西。向天空发射的高功率激光被证明可以使闪电偏离方向，这可能带来激光避雷针的出现，从而保护更广泛的地区免受危险的打击。
避雷针，又名防雷针、接闪杆，是用来保护建筑物、高大树木等避免雷击的装置。在被保护物顶端安装一根接闪器，用符合规格导线与埋在地下的泄流地网连接起来。避雷针规格必须符合国家标准，每一个防雷类别需要的避雷针高度规格都不一样。
当雷云放电接近地面时它使地面电场发生畸变。在避雷针的顶端，形成局部电场集中的空间，以影响雷电先导放电的发展方向，引导雷电向避雷针放电，再通过接地引下线和接地装置将雷电流引入大地，从而使被保护物体免遭雷击。
闪电是能量最大的自然事件之一，在几分之一秒内释放出数百万伏的电压。这当然可以是破坏性的，破坏建筑物，切断电源，引发火灾并造成人员伤亡。
几个世纪以来，我们对雷击的最好防御是避雷针，这是一根简单的金属棒，连接在高大的建筑物上，吸引电力并引导它安全地落到地面上。但它们的范围有限--一根10米（33英尺）的避雷针只能保护其周围10米的区域。要保护像机场或风力发电场这样大的建筑物，就需要不可想象的大型避雷针。
现在，欧洲的研究人员已经展示了一个更有效的新系统。激光避雷针（LLR），顾名思义，就是在暴风雨期间将激光射入云层，以形成一条阻力最小的路径，让电流流过。而且它可以比避雷针延伸得更远。
该研究论文的最后一位作者Jean-Pierre Wolf说：当非常高功率的激光脉冲被发射到大气中时，在光束内形成非常强烈的光丝。这些丝状物使空气中的氮和氧分子电离，然后释放出自由电子来移动。这种被电离的空气，称为'等离子体'，成为一种电导体。
为了证明这一概念，科学家们开发了一个新的激光系统，其平均功率为1千瓦，每秒脉冲约1000次，同时每个脉冲释放出一焦耳的能量。这套系统被安装在瑞士阿尔卑斯山最高的山峰Säntis的山顶上，靠近一座每年吸引约100次雷击的塔。



2021年6月至9月间，该团队在席卷该地区的风暴中测试了该系统。激光被射入塔顶附近的天空，试图在雷电到达塔的常规避雷针之前将其哄骗到光束上。在那个夏天，当激光器被打开时，有四次闪电击中了塔楼，果然它可以使闪电弯曲。
根据激光避雷针的实验数据建立的模型，可以清楚地看到闪电在到达塔楼之前跟随激光束一段时间。
沃尔夫说：我们从第一个激光闪电事件中发现，放电可以在到达塔楼之前跟随光束近60米（197英尺），从而使保护面的半径从120米增加到180米（394英尺到590英尺）。
使用激光作为避雷针的想法已经存在了很长时间，并在实验室实验中显示出了前景，但该团队说这是第一次在现实世界中展示。其他科学家提出，石墨烯牵引光束可以做得更好，但这需要更复杂的设置。
该团队说，LLR项目的最终目标是使用激光将10米长的避雷针的影响扩大500米（1640英尺）。
该研究发表在《自然-光子学》杂志上。
在森蒂斯山顶进行的测试中，科学家们发现放电可以沿着激光束行驶几十米，然后才能到达运营商瑞士电信的塔楼。
森林火灾、停电和基础设施受损...闪电同样令人着迷和破坏，每年在全世界造成多达24，000人死亡，更不用说广泛的破坏了。即使在今天，本杰明富兰克林发明的避雷针也是最好的保护形式。然而，这些杆并不总是为敏感部位提供最佳保护。
由日内瓦大学（UNIGE）、巴黎综合理工学院（巴黎）、洛桑联邦理工学院（EPFL）、hes-so和通快科学激光器（慕尼黑）组成的欧洲财团开发了一种有前途的替代方案：激光避雷针或LLR。在森蒂斯山顶（瑞士）测试了LLR之后，研究人员现在证明了其可行性。即使在恶劣的天气下，杆也可以将闪电偏转几十米。这项研究的结果发表在《自然光子学》杂志上。
闪电是最极端的自然现象之一。数百万伏特和数十万安培的突然静电放电，可以在单个云中，几个云之间，云与地面之间观察到闪电，反之亦然。尽管闪电具有破坏性，但它既迷人又具有破坏性，每年造成多达24，000人死亡。从停电和森林火灾到基础设施受损，它还造成了总额达数十亿美元的大面积破坏。
自1752年本杰明富兰克林发明避雷针以来，防雷装置几乎没有变化 - 一种由连接到地面的金属制成的尖头导电桅杆。直到今天，传统的杆仍然是最有效的外部保护形式：它可以保护半径或多或少等于其高度的表面。
因此，一根 10 m 高的杆将固定半径为 10 m 的区域。然而，由于桅杆的高度不是无限延伸的，因此它不是在大范围内保护敏感地点的最佳系统，例如机场、风电场或核电站。
使空气成为导体
由UNIGE和巴黎综合理工学院（巴黎）领导的一个欧洲财团一直在研究如何与EPFL（EMC实验室，Farhad Rachidi教授），TRUMPF科学激光器，ArianeGroup，AMC（A. Mysyrowicz教授）和工程与管理学院（hes-so，Marcos Rubinstein教授）密切合作解决这个问题。
它一直在研究一种称为激光避雷针（LLR）的设备。通过产生电离空气通道，LLR被用来引导闪电沿着其光束。从传统的避雷针向上延伸，它实际上可以增加其高度以及它所保护区域的表面。
“当非常高功率的激光脉冲发射到大气中时，光束内会形成非常强烈的光丝，”UNIGE理学院物理系应用物理系的正教授Jean-Pierre Wolf开始说，也是该研究的最后一位作者。“这些细丝使空气中的氮和氧分子电离，然后释放出可以自由移动的电子，”沃尔夫教授继续说道。“这种电离空气，称为'等离子体'，成为电导体。
森蒂斯（瑞士）124米高的电信塔的图像。还显示了在 515 nm 处记录的第二次谐波的激光路径。资料来源：自然光子学（2023 年）。DOI： 10.1038/s41566-022-01139-z
测试高度2500m
LLR项目意味着必须开发一种平均功率为一千瓦，每个脉冲一焦耳，每个脉冲持续时间为一皮秒的新激光器。该杆宽 1.5 米，长 8 米，重量超过 3 吨，由通快科学激光器设计。这种太瓦激光器在森蒂斯山顶（位于阿彭策尔，海拔2，502米）进行了测试，洛桑联邦理工学院和HEIG-VD / HES-SO已经配备了仪器来观察闪电。
它集中在属于电信提供商Swisscom的124米发射塔上方，该发射塔配备了传统的避雷针。这是欧洲受闪电影响最大的结构之一。“主要困难在于这是一个真人大小的竞选活动。我们必须准备一个可以安装和保护激光器的环境，“Pierre Walch说，他是光学应用实验室（LOA）的博士生，这是一个联合研究单位CNRS，巴黎综合理工学院，ENSTA巴黎，巴黎综合理工学院，巴黎宫，法国帕莱索。
每次预测 2021 年 6 月至 9 月期间的风暴活动时，都会激活激光。该地区必须提前禁止空中交通。“目的是看看有或没有激光是否有区别，”光学应用实验室（LOA）的研究科学家兼该项目的协调员Aurélien Houard解释说。“我们比较了在塔上方产生激光丝时收集的数据，以及塔被闪电自然击中时收集的数据。
工作有效性不受云雾的影响
分析收集到的大量数据花了将近一年的时间。该分析现在表明，LLR激光器可以有效地引导闪电。沃尔夫教授进一步解释说：“从第一次使用激光的闪电事件开始，我们发现放电可以在到达塔之前沿着光束移动近60米，这意味着它将保护面的半径从120米增加到180米。
数据分析还表明，与其他激光器不同，LLR即使在恶劣的天气条件下也能工作 - 例如雾（通常在森蒂斯山顶发现），它可以阻止光束 - 因为它实际上穿透了云层。这种结果以前只在实验室中观察到。该联盟的下一步将是进一步增加激光作用的高度。长期目标包括使用LLR将10米的避雷针延长500米。
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