空气中激光支持爆轰波实验及理论分析

为了研究激光击穿空气产生的等离子体爆轰波形成机制和传播规律,利用高能量CO2激光器产生强激光,进行了空气中产生激光支持等离子体爆轰波实验。实验中:设置了诱导靶板,用于诱发和定位空气中的激光支持爆轰波;以激光器升压过程球隙放电产生的光信号作为触发源,触发高时间分辨率(纳秒级)的高速相机,记录了激光支持爆轰波的成长和传播全过程。分析了激光支持爆轰波的形成机理和传播规律。采用C-J爆轰理论,计算了激光支持爆轰波的压力和温度。研究结果表明:激光支持等离子体爆轰波形成初期,等离子体爆轰波发光体为球形;随着时间增加,等离子体爆轰波发光体的形状类似流星,且头部为等离子体前沿吸收层,亮度较高,而尾部等离子体温度较低,亮度较弱。等离子体爆轰波高速向激光源的方向移动,爆轰波速度高达18 km/s,温度约为107K。随着激光强度的减弱,爆轰波速度迅速按指数规律衰减,当爆轰波吸收的激光能量不能有效支持爆轰波传播时,爆轰波转变为冲击波。     

吸气式激光推进中激光能量沉积过程的数值模拟

 结合辐射输运方程,在流体力学方程组的能量方程中加入包括空气吸收的激光能量以及高温气体向周围辐射损失的能量源项,转化为辐射流体力学方程组,建立了用于模拟吸气式激光推进中能量沉积过程的物理力学模型和计算方法。该辐射流体力学计算程序可以很好地模拟激光能量沉积过程中空气对激光能量的吸收、等离子体对激光的屏蔽作用以及激光维持的爆轰波的传播规律,计算得到激光能量的沉积效率约为57%,激光维持的爆轰波的传播速度与同等条件下的理论和实验结果吻合得较好。     

等离子体初始密度对激光支持爆轰波特性的影响

采用守恒元求解元方法,对描述激光支持爆轰波等离子体流场演化的二维轴对称流体动力学控制方程组进行了数值模拟计算,给出了不同时刻点的等离子体压强、密度、温度、速度及对激光吸收系数的空间分布,比较了初始密度不同的情况下等离子体演化的不同特点。计算结果表明,等离子体初始密度较大时,等离子体对激光的吸收系数较大,为了增强激光能量与靶面的耦合,应合理控制靶面等离子体密度、激光脉宽及脉冲间隔。     

激光诱导薄膜等离子体点燃时间及其影响因素

将波长为1064nm的纳秒Nd∶YAG脉冲激光聚焦在单层Al膜上,诱导其产生等离子体闪光,模拟计算了等离子体闪光的点燃时间(t_m),分别得到了t_m与激光波长、入射激光能量、聚焦光斑半径、脉宽等激光作用参数的关系曲线,研究分析了薄膜材料、薄膜表面杂质和缺陷对t_m大小的影响。结果表明,激光聚焦光斑和脉宽越大,t_m就越大;激光波长和入射激光能量越大,t_m越小;薄膜材料电离能越小,t_m越小;薄膜表面存在杂质和缺陷时,t_m变小。这些结果对关于激光维持燃烧波和爆轰波的产生机制的研究提供了一定的参考。     

激光能量对粉煤灰未燃碳测量的影响

搭建了基于激光诱导击穿光谱技术的成分分析应用研究台架,应用于粉煤灰未燃碳的检测,考察不同能量的脉冲激光烧蚀粉煤灰样品时的等离子体特性。使用多通道光纤光谱仪和CCD探测器对激光烧蚀形成的等离子体发射信号进行分光和探测。分析碳谱线强度、等离子体温度和电子密度随激光能量变化的趋势,掌握激光能量对粉煤灰未燃碳测量的影响规律。研究结果显示,随着激光能量的增大,碳谱线强度、等离子体温度和电子密度均先增大后减小,空气击穿明显增强。随后碳谱线强度的变化趋于平缓并开始下降。合适的激光能量可以增强等离子体发射信号,并避免强烈空气击穿的不利影响,有助于提高测量精度。     

基于压电探测判定激光支持燃烧波和爆轰波的点燃阈值

为了获得激光支持燃烧波和爆轰波的点燃阈值,采用压电探测器检测波长为1 064 nm的Nd:YAG激光作用在铝靶表面所产生的应变和冲压。从实验结果观察到压电信号的变化分为3个阶段,分别为光热弹性应变阶段、等离子体增强耦合阶段和激光支持爆轰波对靶表面的压力阶段,并从理论上研究了这3个阶段的激光与靶材料相互作用的机理,从而可以从压电信号是否发生跃变判断出激光支持燃烧波和激光支持爆轰波的点燃阈值,与其它方法所得到结果基本吻合。     

基于压电探测判定激光支持燃烧波和爆轰波的点燃阈值

为了获得激光支持燃烧波和爆轰波的点燃阈值,采用压电探测器检测波长为1 064nm的Nd:YAG激光作用在铝靶表面所产生的应变和冲压。从实验结果观察到压电信号的变化分为3个阶段,分别为光热弹性应变阶段、等离子体增强耦合阶段和激光支持爆轰波对靶表面的压力阶段,并从理论上研究了这3个阶段的激光与靶材料相互作用的机理,从而可以从压电信号是否发生跃变判断出激光支持燃烧波和激光支持爆轰波的点燃阈值,与其它方法所得到结果基本吻合。     

空气中单个激光等离子体通道的形成条件

利用皮秒和飞秒激光研究了激光在空气中聚焦产生单个等离子体通道的条件.研究发现，能量为8—12mJ皮秒激光被焦距为15cm的透镜聚焦后，可以产生较为稳定的单个通道.通过横向纵向阴影成像分析发现，通道的管壁对聚焦产生的自发光具有箍缩作用，而通道内部却有利于光的传输.同时还发现，当采用短焦距透镜时，能量低于10mJ的飞秒激光在空气中较易形成单个等离子通道. 关键词： 等离子体通道 皮秒激光 飞秒激光 阴影成像     

激光诱导击穿空气等离子体时间分辨特性的光谱研究

空气等离子体的时间行为对空气环境下激光诱导等离子体形成过程的研究有重要意义.本文将纳秒Nd:YAG脉冲激光(1064 nm)聚焦于一个大气压的空气中,诱导其产生等离子体.利用具有纳秒时间分辨功能的PI-MAX-II型ICCD,采用时间分辨光谱方法,研究了大气环境下激光诱导等离子体的时间行为.大气环境下的激光诱导等离子体光谱广泛分布于300—900 nm范围内,并且是由带状光谱和线状光谱叠加而成的.根据美国国家标准与技术研究院原子发射谱线数据库,对等离子体光谱中的氧、氮、氢等元素的特征谱线进行了识别和归属.给出了激光诱导击穿大气等离子体光谱随时间演化的直观图像,根据空气等离子体发射谱线计算了等离子体电子温度和等离子体电子密度.这些结果对于提高在大气环境下进行的在线测量结果的准确性和精确性具有重要的科学意义.     

不同实验条件对激光诱导等离子体的影响机理研究

常温常压下,采用波长532 nm的Nd:YAG纳秒激光器激发诱导空气中的铝合金,由高分辨率的光谱仪和ICCD对等离子体发射光谱采集和实现光电转换。研究激光能量、ICCD门延迟和聚焦透镜到样品表面的距离(lens-to-sample distance,LTSD)对谱线信号强度和等离子体电子温度的影响,并分析了产生影响的物理机制。结果表明,固定ICCD门延迟和LTSD,随着激光能量的增大,谱线强度和电子温度均增大;计算结果表明,当激光能量从20 mJ增加到160 mJ时,原子谱线Al I 396.15 nm,Mg I 518.36 nm,离子谱线Mg II 279.54 nm谱线强度相较于20 mJ分别提高了12.83,6.45,10.56倍。固定激光能量和LTSD,ICCD门延迟在100~4000 ns范围内变化时,随着延迟的增加,谱线强度和等离子体电子温度均呈指数形式衰减。固定ICCD门延迟和激光能量,采用焦距为75 mm的聚焦透镜,研究了LTSD对等离子体参数的影响机理。结果表明,聚焦透镜到样品的距离对等离子体的谱线强度和电子温度有较大的影响。等离子体的特征谱线强度和等离子体的电子温度的变化规律基本一致,分别在聚焦透镜到样品表面的距离为73 mm和79 mm处取得峰值,并在73 mm处对应最大值。     

来流温度影响驻定爆轰波结构和性能的数值研究

 采用数值模拟的方法研究了超音速来流撞击圆锥体诱导的驻定爆轰波的结构和性能,讨论了不同初始来流温度下,爆轰波结构和波后压力的变化。结果表明,随着来流初始温度的降低,爆轰波的增压比逐渐增加,有利于提高驻定爆轰发动机的推进性能。当初始温度较高时,爆轰波阵面呈现光滑平直的形态,而初始温度较低时,爆轰波呈现出明显的三波点结构,且温度越低,三波点数量越多排列越紧密,这些具有较高压力的三波点对爆轰波波后压力的变化起到了重要作用。     

激光等离子体的声学诊断研究

提出了利用激光等离子体声波对高功率激光与材料相互作用过程进行了诊断的方法。实际测量了波长０．５３μｍ激光与几种金属材料相互作用的过程，其结果与采用春它方法得到的结果基本吻合。     

激光作用铝靶爆轰波流场观测与理论分析

进行了强激光作用铝靶实验,采用纹影照相法,观察爆轰波流场演化过程,分析了爆轰波衰减规律。根据冲击波运动的自相似性,采用点爆炸模型描述了激光作用下爆轰波流场的演化,计算了波阵面速度、压力和温度。结果显示:爆轰波阵面沿迎着激光光源方向较快传播,波阵面形状由最初的半椭球形逐渐向半球形转变,在演化过程中扰动区结构复杂,存在多个密度间断层。在爆轰波开始传播阶段,波阵面的压力和温度较高但下降很快。     

冷等离子体放电区长度对爆震特性影响的实验研究

快速高效的起爆对脉冲爆震发动机工作特性的作用十分关键.文章以乙炔为燃料、空气为氧化剂，使用双爆震管研究冷等离子体和火花塞两种点火方式对起爆特性的影响规律.冷等离子体发生器采用自主设计产品，研究中通过改变冷等离子体放电区长度，测试爆震波的传播过程，给出了放电区体积大小对爆震特性的影响.实验结果表明:冷等离子体点火起爆特性明显优于火花塞；在基本保证放电功率不变时，放电区长度的变化对火焰传播时间、火焰传播速度、爆震波峰值压力影响不大.因此，在工程实践中，采用小区域放电能够减少冷等离子的体积且不影响起爆性能.      

氢-空气绕流无限长斜劈斜爆震波数值模拟

采用二维多组分有化学反应的Euler方程,考虑单步化学反应,采用有限反应速率模型,对斜爆震波进行计算,通过将数值模拟结果与实验结果对比,验证了数值模拟方法的有效性。在此基础上,对氢空气绕流无限长斜劈的斜爆震过程进行了数值模拟,分析了斜劈角度对斜爆震波特性的影响。结果表明:当斜劈角度增大时,爆震波中的化学反应速率随之增大,相应的斜爆震波的角度也增加,波后的温度更高,同时波后法向马赫数减小。     

氢气-空气混合物中瞬态爆轰过程的二维数值模拟

 对高温火团引发的氢气-空气混合气的瞬态爆轰过程进行了二维数值模拟,考虑了H₂-O₂-N₂的详细化学反应动力学机理,该机理包含了19个基元反应和9种组分。采用分裂格式处理带化学反应的Euler方程,其中使用全耦合的TVD格式求解流场,使用基于Gear算法的微分方程解法器求解化学反应过程。计算结果表明：在H₂∶O₂∶N₂＝0.4∶0.4∶0.2（摩尔比）的混合气中,高温气团初始温度为T/T₀=5.3时可诱导爆轰,爆轰波以2 300 m/s的速度传播,同时爆轰波阵面在管壁会形成反射波。还对计算的爆轰波后组分的浓度和温度进行了讨论,为理解爆轰波后结构提供信息。     

激光诱导等离子体加工石英微通道机理研究

利用调Q的Nd: YAG激光器输出的纳秒激光脉冲诱导等离子体加工石英微通道, 显微镜下观察微通道深度可达4 mm, 通道周围没有发现热裂纹, 围绕通道内壁产生了固化层. 研究了纳秒脉冲下固体材料损伤的电离机理. 波长为1064 nm, 光强不很强的纳秒脉冲作用时, 光学击穿中等离子体的形成主要是雪崩电离的结果, 利用雪崩击穿的阈值理论得到了等离子体形成模型, 求出了等离子体形成范围, 理论模型结果与实验结果基本相符.最后基于激光支持的爆轰波模型, 利用流体力学理论求出了等离子体的温度、 速度、 压强等特征参数, 并分析了微通道的特点.高温高压的等离子体烧蚀出石英微通道, 等离子通过后, 在冲击波压力作用下微通道内壁熔化的 石英凝固形成固化层.     

Characteristics of the Spectra of a Plasma near the Surface of Solid and Liquid Targets Exprosed to a Laser Pulse of Complex Form

The results of investigation of the dynamics of the emission spectra of a plasma generated at the surface of liquid and solid targets by a laser pulse of a complex time form are presented. It is shown that the shock wave arising as a result of breakdown on the surface of the solid and developing to heights of the order of 4 mm is a laser-supported detonation shock wave. In the case of solid targets, we recorded additional laser plasma light pulses coming after the main pulse. Two additional light pulses have been recorded for the emission line AlI 396.1 nm. In the case of the liquid, we have not detected additional pulses for the investigated emission lines of the elements at the laser radiation power densities used.