纳秒激光烧蚀冲量耦合数值模拟

为研究激光烧蚀靶产生冲量过程和机理, 建立了一个复杂的一维热传导和流体动力学模型. 以空间碎片常见材料Al为例, 用建立的模型数值计算了纳秒脉宽激光烧蚀靶产生的冲量及冲量耦合系数随时间变化情况. 数值结果和已有的实验数据符合的较好. 数值计算表明: 激光脉冲时间内, 靶获得的冲量随时间迅速增加, 在脉冲时间结束后, 冲量变化随时间趋于稳定; 在冲量耦合过程中, 烧蚀等离子体向真空膨胀, 羽流尺度逐渐增大, 同时吸收入射激光能量, 导致激光与靶耦合的能量降低. 关键词： 激光烧蚀 冲量耦合 等离子体     

激光推进冲量耦合系数的测量方法

 激光推进冲量耦合系数是激光推进的重要参数，反映激光能量转化为动能的能力。提出了水平双线支撑激光推进试验方法，推导了水平双线支撑激光推进时光船的运动方程和测量方程；通过高速相机测量位移，利用卡尔曼滤波计算速度的方法；解决了激光脉冲瞬间作用时速度随机起伏大和计算困难的问题。为水平激光推进冲量耦合系数的计算，提供了工程测量和计算方法。     

激光等离子体动量转换效率的实验研究

强激光与固体靶相互作用时，产生的高速喷射的等离子体对靶具有强烈的反冲作用，因此，激光等离子体可以作为一种新型的推进动力源.与传统的化学燃料推动相比，激光等离子体具有较高的比冲和有效载荷比等特点.对纳秒激光脉冲与铝、石墨、铅和碳氢靶相互作用时，等离子体对靶的冲量进行了实验测量，研究了大气与真空环境下的靶动量与激光聚焦面积的关系，并对部分实验结果与理论计算的数值进行了比较.实验结果显示，大气与真空环境下的靶动量有很大的差异，并且真空下的靶动量受材料性质的影响较大，与以往长脉冲激光的实验结果有很大的不同. 关键词： 激光等离子体 动量 动量耦合系数     

激光烧蚀冲量耦合系数解析计算模型

利用激光清除空间碎片被认为是一种可行手段,冲量耦合系数是数值计算空间碎片清除效果的重要参数。建立了激光烧蚀冲量耦合系数解析计算模型,引入电离度参数,将气化机制与等离子体机制两种机制下的冲量耦合系数解析计算模型联系起来,建立统一的耦合系数解析模型。以空间碎片常见材料Al为例,计算得到冲量耦合系数、电离度、激光功率密度三者之间的变化关系。随着激光功率密度的增加,气化机制逐渐向等离子体机制过渡,电离度增加,直至完全电离,冲量耦合系数先增加后减少,并且在等离子机制占主导情况下达到最优冲量耦合。     

等离子体屏蔽和稀疏波对冲量耦合系数的影响

 利用脉冲Nd:YAG激光作用在铝、铜靶上，研究了不同入射激光能量下冲量耦合系数和离焦量之间的关系，以及不同功率密度情况下冲量耦合系数和光斑直径的关系。实验表明铝靶在入射激光脉冲能量由75.8 mJ增加到382.3 mJ时，冲量耦合系数峰值对应的最佳离焦量由－10 mm处远离焦点向透镜方向移到－18 mm，而对应的激光功率密度仅由2.0×10⁹ W/cm²增加到3.9×10⁹ W/cm²；铜靶实验规律和铝靶类似。等离子体屏蔽的吸收作用导致了冲量耦合系数达到最大值后迅速降低。铝靶在入射激光功率密度由0.7×10⁹ W/cm²增大到1.0×10¹⁰W/cm²时，冲量耦合系数随光斑直径增大而增大，对应变化斜率由5.2×10^-5N·s/（mm·J）增大到49.2×10^-5N·s/（mm·J），表明了稀疏波对冲量耦合系数的削弱作用随入射激光功率密度增加而增加，随光斑直径增大而减小。     

强激光在高Z等离子体中吸收的波长关系

利用“神光Ⅰ”输出的～５００Ｊ、１．０５μｍ，～２００Ｊ、０．５３μｍ激光和“星光Ⅱ”输出的～７０Ｊ、０．３５１μｍ激光，实验研究了激光与金圆盘靶作用产生的等离子体对激光的吸收，获得了激光１０°、４５°入射Ａｕ盘靶吸收的波长关系。实验结果与一维平面等离子体吸收模型计算的结果基本相符。     

用光谱学方法研究不同放电等离子体粒子约束

本文用光谱学方法研究在ＨＬ－１装置上ＬＨＣＤ及ＥＣＲＨ等离子体，弹丸注入等离子体，偏压电极与偏压孔栏等离子体粒子约束特性。结果表明：在弹丸注入使用正向偏压电极与偏压孔栏期间，等离子体粒子约束行到改善，较低密度下（＾ｎｅ＜２．０×１０＾１＾３ｃｍ＾－＾３），ＬＨＣＤ脉冲期间粒子约束得到改善；而当密度＾－ｎｅ大于２．０×１０＾１＾３ｃｍ＾－＾３时，等离子体约束变坏。ＥＣＲＨ脉冲期间粒子约束得不到改善。     

真空环境下激光烧蚀铝靶冲量耦合系数的数值模拟

 通过分析不同情况下激光与固态靶、气化物质的作用机理,利用激光体烧蚀模型,采用流体力学理论和1维Lagrange有限差分的计算方法,对真空条件下不同激光参数下气化物质对靶产生冲量的过程进行了数值模拟,模拟计算结果与实验测量结果、Phipps定标关系符合较好。计算结果表明,在等离子体的情况下冲量耦合系数随着激光强度增大而减小。     

悬摆法测量气体推进剂激光推进冲量耦合系数

 给出了悬摆法测量激光推进冲量耦合系数的原理，分别以空气、氩气、氮气和氦气为推进剂，用悬摆法测量了抛物形推力器在能量不同的单脉冲TEA CO₂激光辐照下的冲量耦合系数。实验结果表明：氩气的冲量耦合系数最高，氦气的冲量耦合系数最低；在实验测试的激光能量范围内，4种推进剂气体的激光推进冲量耦合系数基本上都随着激光能量的增加而线性增大，冲量耦合系数的相对误差为5.4%~6.4%。实验结果与国外相关实验结论一致。     

激光烧蚀硬铝产生等离子体温度和力学效应测量

 为了研究激光推进技术中激光与材料相互作用的机制，获取等离子体状态参数及力学参数，采用Nd:YAG被动调Q固体激光器烧蚀硬铝，通过激光诱导等离子体光谱技术测得等离子体光谱和温度，由冲量摆测得力学参数。实验结果显示：在激光功率密度0.534×10⁸ W/cm²时，靶材表面的等离子体温度在等离子体辐射过程中呈二次曲线衰减；改变靶材等离子体点燃阈值附近的激光功率密度时，随着功率密度的增加，等离子体温度、冲量耦合系数也随着增大，当功率密度达到靶材的等离子体点燃阈值时，各参数达到最大，此后随着功率密度增加，由于等离子体对能量的屏蔽作用，导致靶材表面的等离子体温度降低，等离子体获得的动能减少，靶材耦合的冲量降低。     

Al激光等离子体电子温度的时间分辨诊断

 将门控分幅相机与平面晶体谱仪耦合，构成时间分辨光谱测量系统，对Al激光等离子体的K壳层发射谱进行测量，获得了相对入射激光延迟约1ns，积累时间约200ps的光谱信号。利用稳态碰撞-辐射平衡（CRE）近似条件下的等离子体光谱辐射动力学模型，给出了Al激光等离子体Ly-β线与He-β线强度比以及Ly-γ线与He-γ线强度比与电子温度的函数关系。在此基础上，根据实验谱线强度比，得到激光强度为2.319×10¹⁴，1.937×10¹⁴和3.946×10¹⁴ W/cm²时，等离子体冕区电子温度分别为1.190(1±27%)，1.165(1±27%)和1.525(1±27%)keV。     

金等离子体的荷态分配数的计算

在非局域热动力学平衡(Non-LTE)下,采用类氢近似,计算得出电子密度分别为6.0×10~(20) cm~(-3)、1.4×10~(21) cm~(-3)、1.0×10~(22) cm~(-3)和1.7×10~(22) cm~(-3)的条件下的三体复合、辐射复合、双电子复合系数随电子温度的变化,得出总的复合系数随电子温度的变化关系;结合相关的电离系数得出相应的离子占有数的比,最后,计算出一定电子密度和温度条件下Au~(48+)～Au~(52+)离子的离子丰度,从而得到金等离子体的荷态分配数与电子温度和电子密度的关系.     

掺铥钨酸钡单晶生长和光谱研究

采用Czochralski 法生长出光学质量的BaWO₄:Tm³⁺单晶,利用X粉末衍射实验确定了不同掺杂浓度晶体的晶胞参数.测定了晶体的室温吸收光谱,应用Juud-Ofelt理论,拟合了光谱的3个强度参数,其值分别为Ω₂=404×10^-20cm²,Ω₄=0509×10^-20cm²,Ω关键词： 4：Tm³⁺单晶')" href="#">BaWO₄：Tm³⁺单晶 吸收谱 光谱参数 上转换发光     

双色激光场中激光强度和脉宽对线性多原子分子离子电离的影响

 利用强激光场电离和离解分子来研究分子激发态的波包结构是强场物理的重要研究方向。利用短时指数传播子对称分割法和快速傅里叶变换技术,数值求解了一维含时Schr-dinger方程,探讨了双色激光场中激光的基波和谐波强度之间的不同配比以及脉宽对线性多原子分子离子电离的影响。理论计算结果表明：基波和谐波的相对相位为π时,尽管随着激光的基波和谐波强度之间配比的变化,电离几率随原子间距变化的趋势基本保持不变,但在一定的激光基波强度下（1.2×10¹³~1.2×10¹⁵ W/cm²),激光基波强度的变化可以明显改变电离几率随原子间距变化的趋势。另外,激光脉冲的持续作用可以增强分子的电离,取原子个数为5,基频光波长为800 nm,基波与谐波的强度配比为4,频率配比为2,当其作用时间达到75 fs时,电离基本接近饱和。采用外静电场电离模型能够合理地解释这些现象。     

激光辐照PC型HgCdTe探测器的实验研究

 分别用连续波1.319μm激光和10.6μm激光辐照PC型HgCdTe红外探测器时，得到了不同辐照光功率密度下，探测器输出的一系列实验结果。给出了在波长为1.319μm的波段内激光辐照下PC型HgCdTe探测器的饱和阈值；用波长为10.6μm的波段外CO₂激光辐照探测器时，发现了一些与波段内激光辐照探测器时大不相同的实验现象；对实验结果进行了分析。简要总结了PC型HgCdTe探测器对于波段内和波段外激光辐照的响应机制。     

中红外激光功率密度探测单元的研制

 采用室温光导型HgCdTe探测器,研制了可用于中红外激光功率密度测量的探测单元,主要包括衰减片、探测器、放大电路、数据采集和信号处理５个部分。分析了室温中红外HgCdTe光电探测器的温度特性,并提出了探测器响应率温度自适应校正模型。该探测单元工作温度为－40～30 ℃,功率密度测量不确定度小于20％。     

激光能量对激光诱导Cu等离子体特征辐射强度、电子温度的影响

利用Nd:YAG激光(波长1 064 nm,脉宽10 ns)烧蚀金属Cu靶获得等离子体 .改变激光脉冲能量,观测到Cu的原子谱线和离子谱线随激光脉冲能量有不同的变化关系, 但都在330 mJ/pulse时,谱线强度达到最大,随后在330 mJ～370 mJ/pulse间出现一小平台 ,能量继续增加,各谱线强度减小.同时,使用烧蚀Cu靶产生的五条原子谱线(465.11 nm,5 10.55 nm,515.32 nm,521.82 nm,529.25 nm)的相对强度,在局部热力学平衡近似下,利用B oltzmann图的最小二乘法拟合,测定了不同激光能量下Cu等离子体的电子温度.随激光能量的增加,电子温度近似单调地从1.02×104 K上升到1.46×104 K后,反而有所下降.     

飞秒激光-薄膜靶相互作用中超热电子产额和激光转化效率

 在激光能量130 mJ（靶面），脉宽60 fs，波长800 nm，对比度1∶10^-6，激光与靶法线成45°夹角，P偏振，靶面激光峰值功率密度约为7.0×10¹⁷ W·cm^-2，无预脉冲的条件下，采用电子谱仪与经γ标准源标定的LiF热释光探测器（TLD）相配合，测量了飞秒激光-薄膜靶相互作用中产生的超热电子能谱。根据所测的能谱，推算出超热电子的产额和激光能量转化为超热电子能量的效率，在靶法线方向分别为1.19×10¹⁰/sr和4.55%/sr，在激光反射方向分别为1.83×10⁹/sr和0.76%/sr。结果显示，不同方向的超热电子产额和激光转化效率有所不同，原因在于激光-等离子体相互作用产生的超热电子构成各向异性的分布。     

激光辐照氮化硅陶瓷光谱信息研究北大核心CSCD

氮化硅陶瓷具备耐腐蚀、耐磨损和耐高低温冲击的优良性能,常用于高超声速飞行器的热防护材料,激光武器是未来高超声速目标拦截和打击的主要技术手段。采用Nd3+:YAG固体脉冲激光器作为辐照源,热压烧结氮化硅陶瓷为靶材,中阶梯光栅光谱仪为探测器搭建实验系统,采集激光波长1064 nm,脉宽15 ns,不同能量(50 mJ~500 mJ)作用靶材的辐射光谱。基于美国标准技术与研究院原子光谱数据库对谱线指认,利用玻尔兹曼斜线法计算得到等离子体电子温度范围为6203 K~6826 K,斯塔克展宽法计算等离子体电子密度范围为8.40×10^(15)cm^(−3)~1.14×10^(16)cm^(−3),等离子体电子振荡频率为8.23×10^(11)Hz~9.58×10^(11)Hz,随着激光能量增加电子温度整体呈上升趋势,电子密度变化存在波动。     

激光脉冲重复频率对冲量耦合系数的影响

 设计了触发间隔从100 ms到5 ms可调的双脉冲触发器驱动TEA CO₂激光器高压开关，用以模拟激光器不同的输出脉冲重复频率。用该装置精确控制的不同激光脉冲重复频率下，对抛物面型光船模型进行了大气模式激光推进中冲量耦合系数的实验研究。发现冲量耦合系数随着重复频率的增加而下降，而单位时间内光船获得的冲量耦合系数的增量则随着重复频率的增加而增大。初步分析认为，这是由于飞行器内的空气未得到充分的补充造成的。