切向气流作用下激光对典型金属靶的辐照效应

总结了亚音速切向气流在激光辐照典型金属靶过程中所起的作用,提出气流效应主要包括增大靶与外界环境的对流换热强度;移除靶表面的熔化层,加快烧蚀速率;促进靶的氧化反应,有利于靶的烧蚀;空气动力学效应导致靶在熔化之前就可发生破裂等几个方面。对上述气流效应进行了详尽的分析,同时指出应对氧化反应及热力联合效应进行更广泛的实验研究,获得更明确的规律性认识,以便建立统一的物理数学模型,从而为实际的工程应用提供参考。     

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。     

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。     

不同气流环境下氟化氘激光对45~#钢靶的辐照效应

通过表面形貌观察、温度场分析,研究了切向空气气流、切向氮气气流、自然对流3种环境下氟化氘(DF)激光对45#钢靶的辐照效应,结果表明:切向空气气流环境下,钢靶烧蚀效果最显著,靶板后表面中心温升最高;切向氮气气流环境下,钢靶有一定的烧蚀,但温升最低;自然对流环境下,烧蚀效果最差。实验结果表明:切向气流可移除部分熔化物,特别在切向空气气流环境下剧烈的氧化反应可促进钢靶温度升高,显著增强激光对钢靶的烧蚀,停止激光辐照后切向气流的冷却效应起主要作用。根据实际物理问题建立了相应的数值计算模型,模拟了不同气流环境下激光对钢靶的辐照效应,其中,利用"生死单元"的方法,模拟了切向空气气流环境下激光对钢靶的烧蚀,并考虑了氧化放热的影响。模拟结果与实验结果基本相符,解释了气流在激光辐照效应中的作用。     

不同气流环境下氟化氘激光对45#钢靶的辐照效应

通过表面形貌观察、温度场分析,研究了切向空气气流、切向氮气气流、自然对流3种环境下氟化氘（DF）激光对45#钢靶的辐照效应,结果表明：切向空气气流环境下,钢靶烧蚀效果最显著,靶板后表面中心温升最高;切向氮气气流环境下,钢靶有一定的烧蚀,但温升最低;自然对流环境下,烧蚀效果最差。实验结果表明：切向气流可移除部分熔化物,特别在切向空气气流环境下剧烈的氧化反应可促进钢靶温度升高,显著增强激光对钢靶的烧蚀,停止激光辐照后切向气流的冷却效应起主要作用。根据实际物理问题建立了相应的数值计算模型,模拟了不同气流环境下激光对钢靶的辐照效应,其中,利用生死单元的方法,模拟了切向空气气流环境下激光对钢靶的烧蚀,并考虑了氧化放热的影响。模拟结果与实验结果基本相符,解释了气流在激光辐照效应中的作用。     

切向气流对激光辐照树脂基复合材料的影响

为了考察切向强迫气流对激光辐照下树脂基复合材料热响应的影响,基于边界层换热理论,研究了切向气流与靶面的对流换热系数和热分解气体对表面热交换的覆盖效应,并用有限差分法对激光辐照下树脂基复合材料的1维热响应模型进行数值求解。数值计算表明：高速切向气流的存在会加速靶材表面与外部环境的热交换,从而明显降低激光对靶材的加热效率;边界层换热理论给出的对流换热系数和覆盖因子是合理有效的,适用于数值模拟切向气流对激光辐照下树脂基复合材料热响应的影响;向靶材表面溢出的热分解气体对靶材表面与外部环境的热交换有一定的抑制作用,但影响较小,基本可以忽略不计。     

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。     

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。     

切向气流对激光加热金属板非熔化穿孔效应的影响

针对切向气流加载导致激光加热金属板在熔化前的穿孔效应,利用金属薄板的弹性弯曲理论,推导出了两种典型光束（方形和圆形）照射下的弯曲挠度表达式,利用Mises理论给出了非熔化穿孔的破坏判据。研究结果表明：激光加热下材料强度降低是出现非熔化穿孔破坏的主要机理;薄板在光斑区的最大变形与气流速度、光斑直径、板厚与弹性模量（U2a4/Eh3）相关,穿孔破坏温度与气流速度、光斑直径及板厚（Ua/h）2相关;与方形光斑辐照相比,圆形光斑辐照的破坏阈值稍高一些。数值计算结果表明：0.8 Ma切向气流作用下,铝合金壳体的激光破坏能量阈值大大降低（可达40%～50%）,典型不锈钢壳体的破坏阈值降低相对较小（20%左右）,气流作用导致金属板破坏阈值的下降是需特别关注的问题。     

金属靶和绝缘靶对飞秒激光吸收的比较

利用脉宽为150fs、强度为8×10¹⁵W/cm²的P偏振飞秒激光研究了与 金属靶和绝缘靶 相互作用过程中的激光能量吸收、超热电子产额及超热电子能谱. 实验发现，由于绝缘靶电 导率小，因此其电荷分离势大于金属靶，从而导致绝缘靶比金属靶具有较小的激光能量吸收 、较少的超热电子发射和较高的超热电子温度. 关键词： 金属靶 绝缘靶 激光吸收 超热电子     

纳秒激光烧蚀下液态金属表面微结构的形成

首次发现了在不同保护气体及多脉冲uV—IR激光的照射下,液态金属的微型突起和微结构的形成。测量表明,针对不同的金属和保护气,这种结构的单脉冲生成速率可达（5—20）μm／pulse,形成了长度为1～2mm,直径约为焦点两倍的单个微型突起。最后,介绍了控制微结构形状的可能性,并讨论了它们的应用潜力。     

纳秒激光烧蚀下液态金属表面微结构的形成(英文)

首次发现了在不同保护气体及多脉冲UV-IR激光的照射下,液态金属的微型突起和微结构的形成。测量表明,针对不同的金属和保护气,这种结构的单脉冲生成速率可达(5～20)μm/pulse,形成了长度为1～2 mm,直径约为焦点两倍的单个微型突起。最后,介绍了控制微结构形状的可能性,并讨论了它们的应用潜力。     

长脉冲高能激光对金属靶材烧蚀实验研究

为研究长脉冲高能激光与金属靶材相互作用的机理,使用2种激光器对铝、钢、铜和钛靶材进行烧蚀试验。记录靶材穿透时的激光轰击次数,测量穿过通孔的激光能量和孔的面积,得到不同材料在不同能量密度下的烧蚀率。实验表明：能量密度低的激光束,即使对靶材可能有烧蚀作用,它的烧蚀率要比能量密度高的激光束小很多。能量密度达到造成液态质量迁移条件的长脉冲激光,可获得较大的烧蚀率和截面积较大的通孔。     

激光熔蚀金属平板的三维有限体积法数值分析

为了研究气流条件下强激光对金属靶的熔蚀效应,采用有限体积方法建立了数值模型,并开发了三维Fortran计算程序。综合考虑强激光与材料耦合规律、光束能量空间分布、材料高温热物理性能以及熔蚀界面移动等关键影响因素,模拟了激光辐照下金属靶板升温、熔化和剥蚀的复杂物理过程。最后,将计算结果与试验数据进行了比较,验证了计算模型和程序的有效性。结果表明,计算模型能够反映强激光熔蚀金属平板的基本规律,熔蚀深度和后表面温度计算值与试验吻合较好,并且自编计算程序简单高效。