综述了飞秒激光人工影响天气的相关研究结果。从飞秒激光成丝产生的光氧化副产物、热沉积效应、气溶胶形成和水凝结及沉降过程等4个方面展开,综述了飞秒激光在诱导水凝结及降水、人工引雷等领域的研究进展。提出了飞秒激光人工影响环境大气的初步物理图像,并综述了该技术未来应用于人工影响天气所面临的问题,探讨了可能的解决方案。

在室温条件下的小型云室中,研究了不同参数对飞秒激光诱导较大尺寸气溶胶生成的影响。实验结果表明,在亚饱和条件下,随着环境相对湿度的提高,不同尺寸气溶胶的数密度增大,尺寸分布以0.3~0.5 μm为主;当环境相对湿度达到近饱和条件时,较大尺寸(直径D≥0.7 μm)气溶胶的数密度显著增大,1.0~2.0 μm气溶胶与0.3~0.5 μm气溶胶的数密度可相比拟。此时,通过延长激光照射时间或者缩紧激光聚焦条件,不同尺寸气溶胶的数密度可同等程度地增大,尺寸分布规律基本不变。理论分析结果表明,环境相对湿度条件是制约飞秒激光诱导较大尺寸气溶胶生成的关键因素。

通过数值模拟光丝与负电晕相互作用过程中的空间电场分布,实验观测飞秒激光诱导负电晕放电现象, 研究了空气中飞秒激光光丝与针-板电极结构中产生的负电晕之间的相互作用的规律和机理。模拟和实验结果表明,在相互作用过程中, 光丝末端出现高于雪崩电离阈值的空间电场分布, 产生了负电晕放电现象。通过调控光丝长度可以控制负电晕的作用区域, 由此提出一种全光诱导负电晕的新方法。

为了研究飞秒光丝阵列对10 GHz电磁波的吸收特性，建立了飞秒光丝阵列吸收电磁波的有限元模型，研究了光丝内电子温度、电子数密度、光丝直径和电磁波的极化等参数对吸收系数的影响。研究结果表明：当电磁波偏振方向与光丝轴向垂直时，阵列对电磁波是透明的；增加光丝内电子数密度或提高电子温度，吸收系数先增大后减小；当光丝直径与电磁波趋肤深度相等时，吸收系数达到最大值。对于S极化电磁波，当光丝直径为50 μm时，吸收系数随入射角的增大而变大；当光丝直径为100~200 μm时，在入射角较小时，吸收系数随入射角的增大而变大；在入射角较大时会出现吸收峰值，最高可达0.45，且光丝直径越大，吸收峰值对应的入射角就越小；对于P极化电磁波，吸收系数随入射角增大而降低。

针对飞秒激光诱导电晕放电实验, 提出了一种新的电极优化设计方案。理论分析了球形电极与传统锥形电极在飞秒激光诱导电晕放电中的不同, 给出了飞秒光丝附近的空间电场分布, 比较了两种情形下飞秒光丝尖端附近电晕放电的起晕电场阈值。对比了球形电极与锥形电极在飞秒激光诱导电晕放电中的实验现象。理论和实验结果表明, 新设计的球形电极可显著提高飞秒光丝与外加电场的耦合效率, 并可提高飞秒光丝诱导电晕放电的效率。