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。     

可控制变频率微片激光器

 用20 W光纤耦合LD作为泵浦光源，对Nd^{3+sup>:YVO_{4/sub>微片进行了增益开关实验，获得了可控制变重复频率（1 Hz～25 kHz）的调Q激光输出。输出脉冲激光的宽度为16 ns，输出的峰值功率在几W。从速率方程出发进行了增益开关理论研究，通过数值解，分析了输出激光特性：当泵浦电流高于产生单脉冲的电流时，增加泵浦电流将在一个泵浦脉宽中出现多个激光脉冲输出；增加泵浦脉宽，将在一个泵浦脉宽中出现多个激光脉冲输出，泵浦脉宽越大，子脉冲个数越多；当增加重复频率时，输出与泵浦激光重复频率完全一致的激光脉冲，但也将在一个泵浦脉宽中出现多个激光脉冲输出。}}     

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。     

LD端面泵浦Cr~4∶YAG被动调Q激光器输出特性研究

对激光二极管端面泵浦Cr4+∶YAG被动调Q Nd∶YAG激光器输出特性进行了实验研究.实验研究发现,激光器输出功率及脉冲重复频率随谐振腔长度增大而增大.为解释这一实验现象,测量了泵浦光斑在激光晶体内尺寸,同时计算了激光晶体及Cr4+∶YAG晶体内的基模激光光斑半径随谐振腔长度变化.分析结果表明:激光晶体内泵浦光斑尺寸远小于激光晶体内基模光斑半径,腔模间交叠效率较低;当腔长增加时,激光晶体内的基模激光光斑减小,腔模间交叠效率增加,从而导致输出功率及脉冲重复频率随腔长增加而增加;另外,Cr4+∶YAG晶体内光斑半径也随谐振腔长度减小,引起Cr4+∶YAG晶体漂白时间缩短,导致脉冲重复频率随腔长增加而增加.     

用于激光推进的高功率激光器的选择

 从激光推进的要求出发，阐述了用于激光推进的高功率激光器的选择原则，即激光器必须满足：（1）高的平均功率和峰值功率；（2）高的单脉冲能量；（3）高的重复频率；（4）优良的大气传输特性。主要分析了目前YAG固体激光器、自由电子激光器和TEA脉冲CO₂激光器的特点，通过上述4个方面性能的比较，认为在目前水平下，TEA脉冲CO₂激光器是进行激光推进的首选强激光源，其优点表现在：功率可达10kW量级，单脉冲能量可达0.5~1kJ，重复频率为20~40Hz；激光波长处于大气传输窗口，对大气变化不敏感；工作物质快速流动，不存在热透镜效应和破坏阈值；相关光学元件易于制造；光束质量较好；运行成本低。     

掺杂金属颗粒的高分子工质激光推进实验研究

 利用大功率脉冲TEA-CO₂激光器作为光源,对不同元素、浓度以及颗粒直径金属掺入PVC的靶材进行了测试。结果发现,不同元素种类以及不同颗粒直径的金属掺杂后的PVC靶材的冲量耦合系数变化不大,但在不同功率密度处,比冲均有显著提高,其中纳米Fe粉性能最为优异。在功率密度为5×10⁶ W/cm²处,50%纳米Fe粉质量分数的靶材的比冲出现最大值。在大气环境下,对于掺有20%纳米Zn粉质量分数的PVC靶材,其冲量耦合系数随激光功率密度的提高而先升后降,比冲并不优异于比其熔点更高的Fe粉和Ni粉掺杂。     

LD端面泵浦Cr4:YAG被动调Q激光器输出特性研究

对激光二极管端面泵浦Cr⁴⁺:YAG被动调QNd:YAG激光器输出特性进行了实验研究.实验研究发现,激光器输出功率及脉冲重复频率随谐振腔长度增大而增大.为解释这一实验现象,测量了泵浦光斑在激光晶体内尺寸,同时计算了激光晶体及Cr⁴⁺:YAG晶体内的基模激光光斑半径随谐振腔长度变化.分析结果表明:激光晶体内泵浦光斑尺寸远小于激光晶体内基模光斑半径,腔模间交叠效率较低;当腔长增加时,激光晶体内的基模激光光斑减小,腔模间交叠效率增加,从而导致输出功率及脉冲重复频率随腔长增加而增加;另外,Cr⁴⁺:YAG晶体内光斑半径也随谐振腔长度减小,引起Cr⁴⁺:YAG晶体漂白时间缩短,导致脉冲重复频率随腔长增加而增加.     

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     

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.     

水滴烧蚀多脉冲激光推进性能

 用实时的推力测试方法研究了水滴烧蚀模式多脉冲TEA CO2激光推进的推进性能。用纹影法研究了伴随水滴烧蚀产生的激波等流场变化过程。多脉冲激光推进的比冲和冲量耦合系数等性能参数随激光脉冲重复频率的变小和脉冲数目的增加而逐渐下降。与激光传输相反和相同方向的激波传播最大速度分别为10 km/s和7 km/s。与纹影法结果同步获得的推力曲线表明：汽化过程对推力的形成过程贡献最大,激波也对推力的形成过程有一定贡献。     

Experimental investigation of the effects of laser parameters on laser propulsion

The effects of main laser parameters,such as pulse energy,pulse duration,frequency,and work time on laser propulsion of "air-breathing mode",are investigated experimentally with a high power and high repetition frequency TEA-CO2 pulsed laser.The results show that the momentum coupling coefficient Cm decreases with increasing the pulse energy for single pulse tests and pulse duration of about 1μs.Either higher or lower frequency will reduce Cm in multi-pulse tests,which suggests an optimal frequency for the maximum Cm.As to the work time,the longer the work time is,the less the Cm will be.     

四种磁绝缘传输线的横向空间电荷流

根据电磁场基本理论及电子运动守恒方程，导出平板、圆柱、圆锥和圆盘这4种常用传输线的横向空间电荷流的数值模型和磁绝缘临界条件。通过数值模拟得到:传输线的电压越高，无磁场的横向空间电荷流越大，但是磁缘性能却越显著；若分别增大圆柱、圆锥的几何结构因子，既有助于减小它们的无磁场横向空间电荷流又有助于增强它们的磁绝缘性能；对于圆锥，若电极夹角较大，内电极的极角较小，则对减小无磁场空间电荷流和增强磁绝缘性也有一定好处。     

Multiwatt optically pumped ammonia laser operation in the 12–13 μm

Design and operating caracteristics of high pulse repetition rate NH₃ laser producing up to 20 W of average output power are described. The NH₃ laser, operating in the 12–13 μm region was optically pumped with a high pulse repetition rate TEA CO₂ laser. Dependences of the NH₃ laser output on the pump energy, ammonia and buffer gas pressures and pulse repetition rate have been studied. The conversion efficiency of up to 16% has been received.     

高重复频率触发模式皮秒扫描相机

讨论了高重复频率扫描电路的研制,利用此扫描电路研制了扫描相机,使用掺钛兰宝石激光器进行了时间分辨率的标定,使用半导体激光器作为光源进行了脉冲宽度的测试.最高工作频率为：1 MHz,时间分辨率为：1.8 ps.     

空气呼吸模式激光推进实验研究

介绍了利用实验室自行研制的紫外预电离TEA CO2激光器进行的金属线导引抛物面光船垂直推进实验,脉冲能量60J时,冲量耦合系数可达到390N／MW。这一结果远高于Myrabo和Schall等人用电子束维持放电激光器获得的空气呼吸模式冲量耦合系数。还介绍了利用光电二极管探测He-Ne激光束,He-Ne激光束强度变化反映了空气呼吸模式激光推进时空气密度变化,进而观察了激光束照射光船后空气扰动的情况。     

Generation of high-energy dual-wavelength domain wall pulse with low repetition rate in an HNLF-based fiber ring laser

The generation of high-energy dual-wavelength domain wall pulse with a low repetition rate is demonstrated in a highly nonlinear fiber （HNLF）-based fiber ring laser. By introducing the intracavity birefringence-induced spectral filtering effect, the dual-wavelength lasing operation can be achieved. In order to enhance the cross coupling effect between the two lasing beams for domain wall pulse formation, a 215-m HNLF is incorporated into the laser cavity. Experimentally, it is found that the dual-wavelength domain wall pulse with a repetition rate of 77.67 kHz could be efficiently obtained through simply rotating the polarization controller （PC）. At a maximum pump power of 322 mW, the 655-nJ single pulse energy in cavity is obtained. The proposed configuration provides a simpler and more efficient way to generate high energy pulse with a low repetition rate.     

大气模式下多脉冲激光推进的数值模拟

 研究了大气模式激光推进中多脉冲推进的冲量耦合系数低于单脉冲推进的冲量耦合系数的机理。将飞行器设为可动模型，利用商业软件FLUENT的动网格方法对多脉冲推进进行了数值模拟，解决了已往分段计算中忽略后期流场信息造成的偏差大的问题。结果表明：多脉冲推进的平均冲量耦合系数随脉冲数的增多而降低，但是下降趋势渐缓，计算结果与实验相符；气体开始逃逸之后的后期流场与飞行器的相互作用对推进性能的影响不能忽略。     

Gas density perturbations in high repetition rate static fill tea lasers

The expression of the thermal perturbation on the optical beam of a high repetition rate, static fill TEA laser is given in terms of the ray-matrix in the approximation of a paraxial analysis. The dependence of the value of the matrix elements on the pulse repetition rate, pump energy, gas pressure and discharge geometry has been calculated in the ideal case of a perfectly homogeneous energy deposition in the laser medium.     

Synchronization of ultraviolet-preionization in a Marx-driven TEA CO2 laser

In a TEA CO₂ laser a two-stage spark gap was used to control the predischarge, which produced the ultraviolet-preionization, and to generate a trigger pulse for the Marx bank, which excited the main discharge. The time-sequence of the predischarge and the trigger pulse could be reversed so that the main discharge could commence before the preionization process. This set-up has enabled temporal synchronization on the laser performance, or basically the time delay between the pre- and the main discharges, to be investigated from about − 150 ns to 600 ns.