强激光辐照下预载柱壳热屈曲失效的数值分析

 采用有限元方法（ANSYS7.0）和简易的热力耦合本构关系,较系统地数值研究了预载柱壳受激光辐照时的热力响应和热屈曲失效行为,分析了几种壳体在不同预载条件下（轴压或内压）的屈曲模态和屈曲特征值,给出了屈曲模态和热屈曲失效与激光强度、辐照时间、预载条件和壳体几何尺度及形状间的定量或定性关系。计算结果表明：（1）屈曲失效行为主要集中在激光辐照区内且以径向屈曲为主。（2）在一定范围内,屈曲特征值与光斑中心点温度近似有线性关系。（3）激光辐照区内高温引起的材料软化和预载径向变形的耦合作用是柱壳发生热屈曲失效的根本原因,有效提高结构刚度,可使屈曲特征值提高。（4）壳体形状的改变对内压柱壳有更为明显的影响,其中圆柱形壳体屈曲特征值最大,因此具有较高的安全性。     

树脂基复合材料在连续激光作用下的损伤

 采用热压工艺制备了碳纤维布和高硅氧纤维布增强的环氧树脂和酚醛树脂基复合材料,研究了不同功率密度连续激光辐照下,复合材料的破坏形式及其组织结构与力学性能的变化。结果表明：当激光辐照功率密度大于0.1 kW/cm²后,树脂基体产生燃烧,碳纤维没有明显的损伤,而玻璃纤维布开始熔融,复合材料的拉伸性能降低30%~40%;当功率密度达到1 kW/cm²以后,除基体燃烧外,碳纤维复合材料产生明显的鼓泡分层,表层碳纤维有少量破断,而高硅氧纤维产生明显的熔融烧损,复合材料的拉伸性能降低80%以上。采用有限元计算方法,对碳纤维增强环氧树脂复合材料在连续激光辐照下的温度场进行了研究,计算结果与实验中复合材料的损伤行为相吻合。     

激光辐照InSb(PV)型探测器的热损伤

 在建立高斯型连续激光辐照InSb(PV)型探测器物理模型的基础上，采用近似解析解的形式计算了圆柱形InSb靶板的2维温度场。通过数值分析得出了在激光辐照时，InSb(PV)型探测器的温升与时间的关系，并计算出相应的损伤阈值。研究表明：在强激光连续辐照下，半导体材料InSb会发生熔融损伤，且最早发生于迎光面的光斑中心，激光的功率密度越高，造成破坏所需要的时间越短；对于一定厚度胶层的InSb(PV)型探测器，只有强度大于一定阈值的连续激光辐照才可能发生熔融损伤，越薄的胶层对应的损伤阈值越大。为了增加InSb(PV)型探测器抗激光辐照能力，应该减小胶层厚度。采用该理论计算得到不同功率下的InSb熔融时间为1.57 s和4.54 s，与实验得到的2 s和 4~5 s基本吻合。     

激光辐照下预加载CFRC层合板断裂行为实验研究

针对激光与机械载荷联合作用下碳纤维/环氧树脂增强复合材料（CFRC）层合板失效时间的预测需求,实验研究了不同激光功率密度（70～210 W/cm2）、不同预应力水平（拉伸强度的50%和70%）、不同光斑尺寸（拉伸试件宽度的70%和100%）下2 mm厚层合板的失效机理,获取了不同影响因素对断裂时间的影响规律。结果表明:预加载层合板失效机制为迎光面环氧树脂基底材料热解、纤维氧化断裂,背光面剩余结构偏脆性断裂;在预应力一定条件下,试件断裂时间与辐照激光功率密度成指数规律;预应力水平对断裂时间影响显著。     

高重频CO_2激光损伤HgCdTe晶体的数值分析

针对CO2激光作用下HgCdTe晶体的损伤问题进行了数值分析。首先,建立了高重频CO2激光损伤Hg0.784Cd0.216Te晶体的三维热传导物理模型;然后,利用有限元方法计算了单脉冲和高重频CO2激光作用下,Hg0.784Cd0.216Te晶体的损伤阈值;最后,分析了激光重频以及辐照时间对晶体损伤阈值的影响。研究结果表明:单脉冲激光辐照下,晶体的损伤阈值为64.5 J/cm2;高重频(f>1 kHz)激光辐照下,激光重频的改变对晶体损伤阈值的影响较小,损伤阈值应由平均功率密度表征,且与辐照时间密切相关;辐照时间的增加,可以有效地减小晶体的损伤阈值,当激光辐照功率密度<1.95 kW/cm2时,不会发生晶体损伤。研究结果对高重频CO2激光在激光加工以及激光防护的应用方面具有指导意义。     

激光辐照转动充压圆柱壳体热力学效应

 采用有限元计算方法对激光辐照下转动充压壳体的热力学问题进行了较为全面的数值计算，获得了激光辐照下转动内压圆柱壳壁上的温升、应力、应变、位移分布等物理图像，为进一步分析转动充压圆柱壳体在激光辐照下的破坏与失效奠定了基础。提出的解决数值计算中移动热流载荷问题的双时间步长法，可以有效提高计算效率，同时提高计算精度。研究结果表明：对于给定的壳体结构，其损伤阈值时间主要取决于靶面激光强度与壳体旋转频率；在辐照过程中，损伤最先出现在最初受激光辐照的区域。     

超声速流场条件下激光辐照耦合效应数值模拟

激光辐照结构物包含复杂的多物理场耦合问题,其存在流、热、固多种机制的耦合效应。结合计算流体力学(CFD)和有限元方法,对超声速条件下的激光辐照平板问题进行了热流固耦合分析。采用CFD方法得到平板附近流场分布,利用有限元方法计算平板的温度分布,并将二者结合起来实现流体和固体间的数据交互。理论分析确定了流场效应的最主要影响参数为来流马赫数与攻角。对于不同马赫数,激光区域在6 Ma条件下存在温度的谷值,小于等于6 Ma条件下主要体现为冷却效应,而6 Ma以上主要体现为气动加热效应。攻角增大会导致激光区流体质量流量的增加,使冷却效应更加明显。最后综合分析了流场气动加热和冷却两种效应的产生机制。     

激光辐照受载金属软化效应的数值模拟

用有限元法模拟了连续激光辐照受载金属所产生的软化效应。建立了计算软化效应的二维有限元数值模型。得到了软化效应与预载荷、激光功率密度的依赖关系。结果表明,激光产生的软化效应会大大降低金属材料的屈服阈值,且材料的软化程度与预载荷及激光功率密度有关。     

激光辐照光伏型光电探测器热效应的有限元分析

建立了高斯激光辐照光伏(PV)型光电探测器温升的三维物理模型，采用有限元分析方法计算了探测器的三维温度场分布，探讨了辐照时间、胶层厚度和胶层热导率对熔融损伤阈值及热恢复时间的影响。研究结果表明：InSb PV型探测器受到强激光连续辐照时会发生熔融损伤破坏，且最早发生于迎光面的光斑中心；激光的功率越高，造成损伤破坏所需要的时间越短；热导率越大，越薄的胶层对应的损伤阈值越大，但胶层厚度和热导率对熔融损伤阈值的影响在大功率激光辐照时才较明显。为了提高PV型探测器抗激光辐照能力，应选用热导率大且尽可能薄的胶层。采用该模型计算得到10W功率激光辐照下的熔融时间为3.26s,与实验得到的3s基本吻合。     

1 319 nm连续激光辐照皮肤组织的光热效应实验研究

实验测定了离体人皮肤组织在1 319 nm连续Nd:YAG激光辐照下径向和轴向不同位置的温度分布,研究了激光辐照功率密度和作用时间对皮肤组织温升分布的影响.结果表明,皮肤组织中的温度分布与探测位置、激光辐照功率密度以及作用时间密切相关;激光输出功率密度15.80 W/cm2时安全辐照时间阈值为120 s,功率密度48.92 W/cm2时安全辐照时间阈值为6 s.     

切向气流和激光作用下碳纤维/环氧材料的损伤特性

无气流和切向气流马赫数分别为0.50,0.85条件下,开展了碳纤维/环氧材料激光辐照损伤特性研究实验,对碳纤维、环氧树脂和复合材料热失重曲线、温度历史曲线以及实验后复合材料损伤形进行分析,结果表明:由于切向气流阻止材料燃烧且对材料表面起冷却作用,无气流条件下材料的热损伤区域远大于激光辐照区域,与切向气流条件相比,材料后表面温升时间长、温升幅值高;在切向气流环境下,由于气流作用使得材料的损伤包括烧蚀损伤和断裂损伤;从损伤形貌和后表面温度历史、温升速率比较来看,在切向气流马赫数为0.50~0.85的速度范围内,碳纤维/环氧材料在切向气流和连续激光(102 W/cm2量级)联合作用下的损伤差异不明显。     

X-Rays emission by high-intensity pulsed lasers irradiating thin foils at PALS laboratory

X-rays and forward ion emission from laser-generated plasma in the Target Normal Sheath Acceleration regime of different targets with 10-μm thickness, irradiated at Prague Asterix Laser System (PALS) laboratory at about 10¹⁶ W/cm² intensity, employing a 1,315 nm-wavelength laser with a 300-ps pulse duration, are investigated. The photon and ion emissions were mainly measured using Silicon Carbide (SiC) detectors in time-of-flight configuration and X-ray streak camera imaging. The results show that the maximum proton acceleration value and the X-ray emission yield growth are proportional to the atomic number of the irradiated targets. The X-ray emission is not isotropic, with energies increasing from 1 keV for light atomic targets to about 2.5 keV for heavy atomic targets. The laser focal position significantly influences the X-ray emission from light and heavy irradiated targets, indicating the possible induction of self-focusing effects when the laser beam is focalized in front of the light target surface and of electron density enhancement for focalization inside the target.     

切向气流作用下玻璃纤维复合材料的激光辐照效应

实验研究了样品表面有切向空气气流、切向氮气气流和无气流时,976 nm连续激光对玻璃纤维增强E-51环氧树脂复合材料的辐照效应。结果表明:无气流时,喷出的热分解产物会对入射激光产生屏蔽作用;有气流时,激光对玻璃纤维的破坏方式是其升温熔化后再被切向气流带走;当激光功率密度较低时,切向空气气流以加强样品表面的对流冷却作用为主,不利于激光对玻璃纤维复合材料的破坏;当激光功率密度较高时,切向空气气流以降低屏蔽作用和提供氧气助燃为主,有利于激光对玻璃纤维复合材料的破坏。三种气流状态下,质量损失随功率密度呈现单调增加趋势,当入射激光功率密度在100~600 W/cm2范围内,随着功率密度的增大,激光能量的利用效率逐渐增大并趋于稳定。     

Pulsed laser deposition of metals at target temperatures close to the melting point

Tin and bismuth metals are irradiated by KrF excimer laser pulses of fluences around 5 J/cm². Supressing the formation of surface inhomogeneities on the target is achieved by increasing the target temperature to close to its melting point. The characteristics of surface structures developed on targets ablated at room temperature and heated to approximately 40 °C below the melting point of the respective metal, are presented. Optical microscopy is used to follow the changes in the surface morphology of the deposited films, and especially in the surface number density of particulates. Approaching the melting point of the tin target resulted in a threefold decrease in surface number density of particulates, while for bismuth only a slight decrease was obtained. In the latter case, the anisotropic growth properties of bismuth precluded the effective smoothing of certain domains on the target surface, even at temperatures close to its melting point.     

利用整形激光脉冲压缩薄膜靶得到中子源

研究了整形激光脉冲对冰冻氘氚靶的压缩。通过数值分析,发现利用分步激光产生的系列激波压缩氘氚靶可以获得较高密度和较低温度的等离子体靶。初始激光强度的选取将影响到压缩后的等离子体密度,继而影响到产生中子的数量。通过调节初始激光强度可以使压缩后的氘氚靶温度处在反应率比较高的范围内,从而得到优化结果。当初始归一化激光振幅为0.5,最终为32时,压缩后的氘氚靶密度可达到18416倍的临界密度,温度达到16 keV,每焦耳入射激光能量可得到109个中子,这个中子产额比现有其他方法所得到的中子产额大4个数量级。     

高速气流对C/SiC复合材料激光烧蚀行为影响的实验研究

为了明确高速气流对C/SiC复合材料激光烧蚀行为的影响机制,开展了不同环境下强激光对C/SiC复合材料的烧蚀对比实验研究。利用激光器与高速风洞联合实验平台,完成了静态以及Ma 1.8,Ma 3.0,Ma 6.0气流环境下2D与3DN C/SiC复合材料激光烧蚀实验。结果表明,与静态环境相比,高速气流对C/SiC复合材料的激光烧蚀行为产生了显著的影响,气流的冲刷使得烧蚀坑呈现出更宽、更深、更光滑的变化趋势。随着气流速度的增长,线烧蚀速率与质量烧蚀速率逐渐增大,主要原因为当地静压降低引起的升华速率增大,以及动压增大引起的剥蚀速率增大。此外,通过实验对比了不同构型对C/SiC激光烧蚀行为的影响。结果表明：2D C/SiC复合材料由于厚度方向更低的导热能力、更低的孔隙率等原因,其在不同环境条件下抗烧蚀能力均强于3DN C/SiC复合材料。     

飞秒激光作用下质子产额及空间分布

在超短超强激光装置SILEX-Ⅰ上,利用HD810辐射变色膜在靶背法线方向测量了质子产额及空间分布。测量结果显示:光学密度与质子流量密切相关,光学密度越大,质子流量就越大;当C8H8厚度相同,Cu厚度增加时,质子产额随辐射变色膜的光学密度平均值减小而减小;当靶相同,激光功率密度越小时,光学密度平均值就越小,则质子产额也越小;实验中还得到了质子呈环状、成丝和圆盘状结构的空间分布,该空间分布的大小与激光焦斑大小无关。     

高重复频率激光能量沉积减小超声速波阻的数值研究

 采用数值模拟的方法研究了激光重复频率、点火位置及来流马赫数等参数对激光能量沉积减小超声速钝头体波阻的影响。数值模拟结果表明,由于激光能量的沉积产生的低密度区与弓形激波相互作用,在钝头体前形成了类似虚拟尖锥的回流区,使原弓形激波逐渐向阻力较小的斜激波转变。阻力随着频率的增加而减小,当频率增加到200 kHz时,阻力减小到约为原来的17%,能量效率的最大值出现在频率为50 kHz处。说明控制参数的选择对减阻性能起着关键的作用。     

Observations and analysis of resonant laser ablation of GaAs

Laser ablation of solid GaAs samples has been studied using one tunable pulsed dye laser. At relatively low laser power, enhancements of up to several hundred times have been observed in the yield of resonantly ionised Ga using laser wavelengths corresponding to the atomic transition 4² P _1/2-4² D _3/2. The influences of laser power and target geometry, on the ion yield and spectral profile, are discussed. It is argued that the resonant excitation and ionisation processes occur in the gas phase of the atoms ablated from the sample surface, and the observed asymmetric spectral profile results from laser-induced collisional processes, e.g., optical collisions, under conditions of relatively high atomic density in the interaction region. Potential applications are foreseen for resonant laser ablation in trace analysis.     

Prediction of aerodynamic noise reduction by using open-cell metal foam

As the speed of high-speed train (HST) increases continuously, aerodynamic noise has become more remarkable compared with the wheel/rail noise, which affects the inhabited environment along the railway and the riding comfort. This paper preliminarily investigates the feasibility of using open-cell metal foam covering layer to reduce the low Mach number aerodynamic noise generated by the flow around a circular cylinder which is the typical section of pantographs. The aerodynamic noises radiated from the circular cylinder with and without metal foam are calculated. The hybrid method combining two-dimensional large eddy simulation (LES) with Ffowcs Williams–Hawkings (FW–H) equation is employed. The calculated Strouhal number, time-averaged drag coefficient, base pressure and overall sound pressure level agree well with some available experimental data. Then, the influences of metal foam porosity, pore density, thickness of covering layer and the speed of train on the aerodynamic noise and the aerodynamic forces are investigated, and some detailed comparisons of flow field are made. The numerical results indicate that as a passive scheme, the open-cell metal foam with high porosity can modify the flow, adjust the vortex shedding frequency and regularize the wake, leading to a significant reduction of aerodynamic noise. The results are expected to provide useful information for the control of aerodynamic noise using this new material.