The relation between composition in laser absorption region and ambient pressure

In this paper, the compositions in a laser absorption region can be determined from the experiment of laser impulse coupling. When the ambient pressure varies from 9325 to 33325Pa, the compositions are vapour and plasma; while from 35325 to 101325Pa, they are ambient air and plasma. By analysing the relation between the degree of compression and the ambient pressure, the compositions can be determined and the variation of plasma can be explained.     

气压对吸气式激光推进冲量耦合系数的影响

保持CO2激光的单脉冲能量为61.4~64.6 J,采用高精度冲击摆系统进行了不同气压下吸气模式激光推进冲量耦合系数的实验测试,分析了对应的高度特性。结果表明：气压为2.8×104～1×105 Pa,即距离地面0～10 km时,冲量耦合系数大约3.5×10-4 N·s·J-1,上下波动幅度低于5%;气压低于2.8×104 Pa,即高度大于10 km时,冲量耦合系数呈二次曲线显著下降;当气压降至1×103 Pa,即距离地面约31 km高度时,耦合系数仅为9.7×10-5 N·s·J-1。     

Influence of air pressure on mechanical effect of laser plasma shock wave

The influence of air pressure on mechanical effect of laser plasma shock wave in a vacuum chamber produced by a Nd:YAG laser has been studied. The laser pulses with pulse width of 10ns and pulse energy of about 320mJ at 1.06$\mu $m wavelength is focused on the aluminium target mounted on a ballistic pendulum, and the air pressure in the chamber changes from $2.8\times 10^{3}$ to 1.01$\times $10$^{5 }$Pa. The experimental results show that the impulse coupling coefficient changes as the air pressure and the distance of the target from focus change. The mechanical effects of the plasma shock wave on the target are analysed at different distances from focus and the air pressure.     

Two-photon absorption coefficient in relation to the typical pulse models of laser

The two-photon absorption (TPA) coefficient (β) relating to pulse models of laser is theoretically studied based on the nonlinear absorption equation. An expression of nonlinear energy transmission is obtained, in which a factor (g) is introduced to describe the β deviation resulting from the pulse profile of laser. The relative deviation can be then expressed as (1/g − 1)% for comparing β obtained based on other pulse models of laser with β₀ based on the rectangular one. The values of g factor and the deviation of some typical ultra-short pulse models used nowadays are also calculated and presented. Our results suggest that the β deviations from the temporal pulse shapes should not be neglected in usual nonlinear transmission measurement. The g factor may become a useful parameter in taking account of this deviation.     

基于可调谐二极管激光吸收光谱技术的密闭玻璃容器中水汽浓度及压力的探测

冻干法处理过的药品瓶中残存的水汽(H₂O)是药品变质的主要影响因素之一, 如何快速准确地测量瓶中的水汽浓度及压力, 是检测药瓶是否泄漏的关键. 本文报道了利用1.39 μm半导体激光器作为光源, 结合波长调制吸收光谱技术, 实现了对密闭玻璃容器(药瓶)中水汽浓度及压力的探测, 并通过转台模拟生产线对系统在动态条件下的性能进行了测试. 研究结果表明, 在0.2%-12%的H₂O浓度范围内真实值与测量值之间的相关度和标准偏差为0.9978 和4.81%, 在0.1-100 atm (1 atm=1.01325×10⁵ Pa)的压力范围内两者之间的相关度和标准偏差为0.982和5.6%, 系统对应的压力及浓度的最低检测限约为2.5 Torr (1 Torr=1.33×10² Pa)和400 ppm. 通过利用转台以及Labview编写的快速在线处理软件进行了动态条件下的测试, 一分钟可以处理300个左右的药瓶, 可以很好地满足快速实时探测的要求. 该方案可以直接应用于药瓶在线检测, 并且使用2台激光器可以实现多组分同时探测分析(如H₂O、氧气等).     

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。     

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。     

Ar环境气压对纳米Si晶粒成核区范围的影响

为了研究不同环境气压条件下纳米Si晶粒成核区的范围,采用波长为308 nm的 XeCl脉冲准分子激光器,分别在1-200 Pa的Ar气环境下, 烧蚀高阻抗单晶Si靶,在距离烧蚀点正下方2.0 cm处水平放置一系列单晶Si 或玻璃衬底,沉积制备了纳米Si薄膜. Raman谱和X射线衍射谱测量证实了薄膜中纳米Si晶粒已经形成. 扫描电子显微镜的测量结果表明,环境气压的变化影响了衬底上纳米Si晶粒的平均尺寸及其分布范围. 根据成核区位置的确定方法,计算得出随着环境气压的增加纳米Si晶粒成核区的范围先变宽后变窄的规律. 从烧蚀动力学的角度对实验结果进行了分析.     

电子束泵浦XeCl准分子激光器及应用

为了获得高能紫外激光输出,开展了电子束泵浦XeCl准分子激光技术研究。详细介绍了四向电子束泵浦准分子激光装置的工作原理和结构特征,简述Marx发生器的放电电压、放电电流,激光气室中的沉积能量,激光脉冲能量、脉宽等参数的测量方法;研究了电子束泵浦XeCl准分子激光输出特性,得到了激光脉冲能量随激光气室内混合气体气压变化的规律,当激光器的充电电压为81 kV时,获得了能量100 J、脉宽200 ns的XeCl准分子激光输出,其本征效率约为3.2%。并且开展了XeCl准分子激光辐照涂层材料力学特性研究,采用微型红外通光冲量探头测量不同条件下激光辐照涂层材料的冲量耦合系数,在常压空气环境中的冲量耦合系数约为8.3210-5 NW-1。     

不同气体工质对激光推力器冲量耦合系数的影响

通过冲击摆实验,测量了激光推力器在不同气体工质(氩气,氦气)、不同工作压力条件下的冲量耦合系数,比较了不同气体对激光推力器冲量耦合系数的影响.实验结果表明:冲量耦合系数随着环境压力的下降而下降,并且下降趋势越来越快;在氩气中测量的冲量耦合系数比氦气的高;实验产生误差的主要因素是摆角的测量误差.     

Numerical modeling of laser matter interaction in the presence of an ambient gas

A one dimensional numerical model to simulate the laser matter interaction in the presence of an ambient gas is presented. The model is developed by making appropriate modifications in MEDUSA, a one dimensional Lagrangian computer code, which simulates laser plasma interaction in vacuum. Various parameters of the plasma such as velocity, electron temperature, ion temperature, density, pressure, shock wave intensity of the plasma as it expands into a background gas are simulated. The results are compared with the experimental observations.     

气体压强对纳秒激光诱导空气等离子体特性的影响

环境气体的压强对激光诱导等离子体特性有重要影响.基于发射光谱法开展了气体压强对纳秒激光诱导空气等离子体特性影响的研究,探讨了气体压强对空气等离子体发射光谱强度、电子温度和电子密度的影响.实验结果表明,在10-100 kPa空气压强条件下,空气等离子体发射光谱中的线状光谱和连续光谱依赖于气体压强变化,且原子谱线和离子谱线强度随气体压强的变化有明显差别.随着空气压强增大,激光击穿作用区域的空气密度增加,造成激光诱导击穿空气几率升高,从而等离子体辐射光谱强度增大.空气等离子体膨胀区域空气的约束作用,增加了等离子体内粒子间的碰撞几率以及能量交换几率,并且使离子-电子-原子的三体复合几率增加,因此造成原子谱线OⅠ777.2 nm与NⅠ821.6 nm谱线强度随着气体压强增大而增大,在80 kPa时谱线强度最高,随后谱线强度缓慢降低.而离子谱线N Ⅱ 500.5 nm谱线强度在40 kPa时达到最大值,气体压强大于40 kPa后,谱线强度随压强增加而逐渐降低.空气等离子体电子密度均随压强升高而增大,在80 kPa后增长速度变缓.等离子体电子温度在30 kPa时达到最大值,气体压强大于30 kPa后,等离子体电子温度逐渐降低.研究结果可为不同海拔高度的激光诱导空气等离子体特性的研究提供重要实验基础,为今后激光大气传输、大气组成分析提供重要的技术支持.     

单脉冲能量对吸气式激光推进冲量耦合系数的影响

利用透镜聚焦,抛物面喷管约束,结合复摆和光指针测量系统研究了单脉冲能量对吸气式激光推进冲量耦合系数的影响,实验中通过调节激光器工作电压和硅片衰减实现了脉冲能量5~70 J范围的有效拓展;进一步采用纳秒分幅高速相机拍摄了24 J能量下的流场纹影照片。结果表明：在4~9 J低能量和32~70 J较高能量区间,冲量耦合系数均较稳定;9~32 J能量下冲量耦合系数呈线性增长趋势,变化范围(6.5~21.0)×10-5 N·s·J-1;纹影照片显示流场演化经历了激光支持爆轰波、爆燃波和激波3个阶段,耦合系数的变化规律源于不同单脉冲能量对应不同的能量沉积效率。     

线性喷管构形对激光推力器冲量耦合系数的影响

喷管是激光推力器的重要组成部分。在设计喷管构形时,可以使其与聚光系统一体化设计,也可以把聚光系统和喷管分离设计。针对聚光系统与喷管分离设计的工作模式,建立了一种辅助聚焦系统的点火模型。通过改变喷管的构形,分析了圆锥形、圆台形喷管的冲量耦合系数与喷管顶部直径与出口直径之比以及喷管长度与出口直径之比之间的关系。通过对推力曲线的分析,阐述了喷管结构参数对其性能影响的原因。研究结果显示,圆台形喷管的推进性能优于圆锥形和圆筒形。     

带延长圆柱形喷管激光推力器推进性能数值研究

针对抛物形喷管与圆柱形喷管相组合的带延长圆柱形喷管激光推力器模型,通过求解含激光能量源项的流体力学方程组,计算得到了不同单脉冲激光能量条件下3种构形参数对冲量耦合系数和推力的影响。结果显示带延长圆柱形喷管可获得高于600 N/MW的冲量耦合系数,同时表明冲量耦合系数随圆柱喷管长度的增加而增大并趋于饱和,圆柱喷管饱和长度与激光能量呈线性关系。冲量耦合系数随抛物形喷管张角的增大先增大后减小,对于总长度为100 mm的喷管,半张角在33°左右时取得最大值且受激光能量的影响很小。冲量耦合系数随点火位置的增大也存在最大值,最大值对应的点火位置与激光能量成线性关系。     

圆锥形喷管的脉冲激光推进能量相似律数值模拟

为了验证理论分析得到的圆锥形喷管在单脉冲条件下的激光推进能量相似律,用2维轴对称辐射流体动力学方法,计算得到了不同构形的推进性能参数,分析了锥角、长度、无量纲因子、入射激光能量对冲量、冲量耦合系数的影响。计算揭示的激光推进能量相似律合理,在理论模型可以描述的范围内,其定性规律与理论分析、实验结果之间相互印证。结果表明：当锥角固定时,冲量和冲量耦合系数随无量纲因子先增大后减小,极大值对应的无量纲因子仅与气体比热比相关;当无量纲因子固定时,冲量随入射激光能量增加而增大,冲量耦合系数受激光能量的影响很小,冲量和冲量耦合系数均随锥角增大而单调减小。     

激光推进冲量耦合系数测量方法比较

针对测量冲量耦合系数的水平导轨法和冲击摆法,分别进行了误差计算和实验研究。计算结果表明:水平导轨测量法的相对误差（4.6%）略小于冲击摆测量法的相对误差（6.1%）,其中位移参数和最大摆角的测量精度对于相对误差的影响最大。实验结果表明:两种方法的测量结果基本一致,冲量耦合系数均随着入射脉冲能量的增大而增大,且两组数据相差在6%以内,在入射脉冲能量为3~14 J时,冲量耦合系数最高可达260 N·MW-1。     

带延长圆柱形喷管激光推力器推进性能数值研究北大核心CSCD

针对抛物形喷管与圆柱形喷管相组合的带延长圆柱形喷管激光推力器模型,通过求解含激光能量源项的流体力学方程组,计算得到了不同单脉冲激光能量条件下3种构形参数对冲量耦合系数和推力的影响。结果显示带延长圆柱形喷管可获得高于600N/MW的冲量耦合系数,同时表明冲量耦合系数随圆柱喷管长度的增加而增大并趋于饱和,圆柱喷管饱和长度与激光能量呈线性关系。冲量耦合系数随抛物形喷管张角的增大先增大后减小,对于总长度为100mm的喷管,半张角在33°左右时取得最大值且受激光能量的影响很小。冲量耦合系数随点火位置的增大也存在最大值,最大值对应的点火位置与激光能量成线性关系。     

激光等离子体细丝的场分布和共振吸收

本文对激光等离子体细丝的场分布和共振吸收进行了理论研究.在冷等离子体的条件下,首先求得场方程以及电场的径向分量和轴向分量的解析表示式;然后,通过数值计算发现:在等离子体细丝的径向场存在一个隧道效应,即在径向共振点r_o附近,场出现极大值.     

两种构形喷管的激光推进冲量耦合系数数值研究

提炼了由入射激光能量、能量沉积率、环境气体压强、喷管母线长度及其半顶角组合而成的圆锥形喷管无量纲因子,并将其推广到抛物形喷管的研究中。用辐射流体力学计算程序计算了4种半顶角下圆锥形和抛物形喷管的冲量耦合系数随无量纲因子的变化规律。计算结果表明：两种喷管的冲量耦合系数都存在极大值,极大值对应的无量纲因子约为0.4;无量纲因子相同时,半顶角越小,冲量耦合系数越大;同等条件下抛物形喷管的冲量耦合系数高于圆锥形喷管的冲量耦合系数。