靶结构对烧蚀模式激光推进效应影响的数值模拟

 强激光辐照于固体平面靶产生高温、高压等离子体喷射,进而对固体靶产生力学推进效应,这是烧蚀模式激光推进的基本原理。采用针对高温气体（等离子体）电离度的一种近似计算方法,以及具有五阶精度的广义Godunov差分格式-加权本质无振荡格式WENO（Weighted Essentially Non-Oscillatory Schemes）,对强激光烧蚀固体靶产生等离子体喷射推进效应进行数值模拟。计算了固体靶面横向尺寸与激光光斑大小对推进效应影响的耦合关系,以及不同靶面结构烧蚀压力随时间的变化及其推进效应参数变化。数值模拟结果表明,靶面横向尺寸与光斑大小具有最优耦合值;固体靶面增加约束喷管结构对激光推进效应明显增大,并且随着约束喷管位置的不同,对激光推进效应增大的影响也有较大差异。     

由强激光产生的烧蚀等离子体随时间演化的数值模拟

采用单流体模型描述由强激光产生的烧蚀等离子体,并用具有五阶精度的广义Godunov差分格式——加权本质无振荡格式对该模型进行离散化,考虑激光与等离子体相互作用和能量耦合,数值模拟强激光与固体靶相互作用时产生的烧蚀等离子体随时间演化的物理过程,给出数值模拟结果,并对其进行分析和讨论.数值模拟结果表明,激光能量在靶面等离子体中被强烈吸收,激光支持LSD(Laser Supported Detonation)波速度约为理想LSD波速度的一半.     

激光支持等离子体流场的2维动态数值模拟

 采用高温气体（等离子体）电离度的一种近似计算方法，以及具有五阶精度的广义Godunov差分格式-加权本质无振荡格式，给出了高温气体状态方程的简便描述，并考虑激光与等离子体的相互作用和能量耦合模拟了强激光与固体靶相互作用时激光支持靶面等离子体流场的动态物理过程，并同理论模型结果进行了比较。结果表明：不考虑2维膨胀效应的理论模型结果比2维数值计算结果偏大，但两者只有接近一倍的差距，并无数量级的差别。考虑了膨胀效应的2维数值计算结果是可信的。     

热阻塞效应对激光辐照靶材烧蚀过程的影响分析

研究了百兆瓦级激光烧蚀碳/碳复合材料靶材产生的等离子体吸收激光束能量引起的热阻塞效应。首先,基于逆轫致吸收理论,建立了激光在烧蚀靶材产生的等离子体中的传播模型;然后,基于磁流体理论,得到了等离子体在百兆瓦级激光形成的电磁场中的波动方程,建立了等离子体吸收激光能量引起热阻塞效应的模型。最后,对烧蚀过程中粒子的总密度、吸收系数、靶材表面等效热流随激光持续时间的变化规律以及是否考虑热阻塞效应时,靶面垂直方向的温度场进行了数值模拟。结果表明:等离子体的形成,对激光形成了明显的热阻塞效应,削弱了激光对靶材的烧蚀作用,使粒子总密度、吸收系数、靶材表面等效热流以及靶面垂直方向温度场的变化均呈现为非线性。     

强激光等离子体耦合效应的数值模拟

 研究了高强度（10¹²(10^{14W/cm2）,纳秒脉冲(高斯型)激光与AI、 CH等离子体的耦合效应。采用一维双温、单流体力学方程组,数值模拟研究激光强度和波长对靶表面能量沉积和对等离子体特征参数的影响。激光等离子体耦合的主要机制有:轫致辐射、逆轫致辐射吸收、热扩散和电子、离子之间碰撞能量交换。给出了电子最高温度与光强的近似定量关系。}     

超强激光与等离子体作用中的能量输运

应用多光子非线性Compton散射模型和数值计算方法,研究了Compton散射对超强激光与等离子体作用中能量输运的影响,提出了将Compton散射光和入射超强光作为电子能量输运的新机制,给出了电子热传导新模型和能量输运数值计算结果。结果表明:散射使等离子体中Weibel不稳定性和自生磁场增强效应导致耦合光传输方向的电子密度显著减小,更多激光能量以热流形式分布在横向方向。散射使电子吸收能量的时间缩短和自生磁场线性阶段最大增长率增大效应导致等离子体表面处沿耦合激光横向方向的热流几乎被完全限制,电子在激光传输方向的能量显著增加。     

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     

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。     

强激光与金属铝相互作用时能量耦合的计算

本文从微观量子过程出发.建立起适于工程计算的物理模型,对强激光照射在置于真空中的铝靶上时的能量耦合进行估算。计算结果表明在金属靶表面上形成的高温等离子体层对于能量耦合有很大的影响。     

靶与光斑尺寸对激光冲量影响的数值模拟

采用二维雷诺平均N-S方程,数值模拟研究了大气条件下短脉冲激光与固体靶相互作用所产生等离子体的动力学过程。采用k-ε两方程模型用于湍流的数值模拟,分别利用ROE格式和二阶中心格式对对流通量和粘性通量进行离散处理;用高斯-赛德尔隐式格式对方程进行时间推进求解。数值模拟给出了激光引发靶蒸气等离子体侧向膨胀、稀疏等二维流体动力学过程的物理图像,讨论了靶与光斑尺寸对脉冲激光冲量的影响。结果表明,不同宽度固体靶受到的激光冲量有很大差异,固体靶宽度越大,受到的激光冲量也越大。     

真空环境下激光烧蚀铝靶冲量耦合系数的数值模拟

 通过分析不同情况下激光与固态靶、气化物质的作用机理,利用激光体烧蚀模型,采用流体力学理论和1维Lagrange有限差分的计算方法,对真空条件下不同激光参数下气化物质对靶产生冲量的过程进行了数值模拟,模拟计算结果与实验测量结果、Phipps定标关系符合较好。计算结果表明,在等离子体的情况下冲量耦合系数随着激光强度增大而减小。     

Al 3p电子的L-S耦合近似计算

用Nd :YAG脉冲激光器发出的脉冲激光束烧蚀金属Al靶产生Al等离子体。利用时 空分辨技术 ,采集Al等离子体发光信息 ,获得Al原子特征辐射谱。对Al 3p电子的L S耦合进行了类氢粒子的简化处理 ,并用量子力学的相关知识详细地计算了主量子数屏蔽系数α和轨道角动量量子数屏蔽系数s。     

等离子屏蔽效应下飞秒激光照射金箔的分子动力学模拟

采用耦合了双温度模型的分子动力学方法对飞秒激光烧蚀金箔的传热过程进行了模拟研究,考虑了非傅里叶效应,探究了不同激光能流密度下等离子体羽流的屏蔽作用.根据密度分布将激光烧蚀过程中的金箔划分为过热液体层、熔融液体层和固体层,并比较了不同激光能量密度下过热液体层表面发生的相爆炸沸腾现象以及表面温度的变化情况.结果表明,随着激光能量密度的增大,等离子体的屏蔽比例几乎呈线性增大.在激光的烧蚀过程中,金箔的上表面最先经历液体层以及过热液体层,并且随着时间的推移,液体层和过热液体层逐渐向金箔底部移动.过热液体层发生体积移除的相爆炸沸腾是金箔烧蚀的主要方式,随着激光能量的增大,爆炸沸腾发生的时间提前,并且结束的时间相应延后,持续时间变长.     

Effect of magnetic field on plasma control during CO2 laser welding

During high power CO₂ laser beam welding, the plasma above the keyhole has a shielding effect that it not only absorbs part of the laser energy but also defocuses the laser beam. As a result, the welding efficiency and the aspect ratio of the welds are influenced. In order to reduce the effect of plasma, helium as a plasma control gas has been used successfully and effectively. However, the cost of helium in Southeast Asia is extremely high and therefore the production cost is significantly increased when helium is used as a continuous bleeding plasma control gas. To search for an alternative plasma control technique, feasibility in using magnetic effect as a control tool is explored in this paper. The influences of the magnetic field strength, laser power, welding speed, field direction and shielding gas (e.g. helium and argon) on the penetration depth and the width of bead were also investigated. Experimental results indicated that the magnetic field can influence the shielding effect of the plasma without using plasma control gas. It was found that at a suitable magnetic field strength the penetration depth was increased by about 7%, but no significant difference on the width of bead was found. Moreover, it was shown that the plasma control effect can be achieved at low magnetic field strength and the penetration depth can be increased significantly under argon atmosphere.     

Time-dependent interaction of pulsed CO2 laser radiation with liquids

Many industrial applications of high-power lasers involve the creation by vaporization of a keyhole in a solid target. This structure is unstable with respect to collapse and can be maintained only by achieving a balance between pressure terms from laser vaporization and those of surface tension and hydrostatics. In addition, liquid flow and plasma effects also modulate the laser beam intensity resulting in a complex feedback system in coupling laser radiation into the target. In this paper, we report data obtained on the time dependence of structures associated with laser drilling of an absorbing liquid. These data, obtained at low incident laser intensities in the absence of plasma effects, show the complex nature of the laser-keyhole interaction even in a two-phase system. Some results of experiments carried out in low gravity are also presented.     

Spectroscopic observation of the plasma produced by a CO2 laser beam interacting with titanium target under helium and/or argon atmosphere

In many laser applications such as drilling, welding and cutting, the role of the plasma in the transfer of energy between the laser beam and the metal surface appears to be rather important. It depends on several parameters such as laser wavelength, irradiation time and deposited energy but especially on the buffer gas nature. In this work the plasma is initiated by a TEA-CO₂ laser beam perpendicularly focussed onto a Ti target (100 MW/cm²), in a cell containing He, Ar or a He-Ar mixture as buffer gas. The plasma is studied by time and space resolved spectroscopic diagnostics. The results show that helium allows target erosion whereas a highly absorbing breakdown plasma develops in argon shielding the target from the subsequent laser heating. With only 20% Ar in He, a strong quenching of the He plasma by Ar occurs, and the Ar plasma effect is dominant.     

激光脉冲对内层等离子体辐射源的影响

本文的基本思想是设计双层金铝薄膜靶以检测激光脉冲宽度与等离子体消融深度的关系,找出有效的等离子体加热方法以产生更强更亮的等离子体辐射源.由于有预脉冲激光的存在,表层金薄膜首先被消融,由主脉冲携带的大能量就能较易穿过表层金等离子体将能量聚焦在内层铝靶上,由此产生内层高温等离子体.又由于外层低温等离子体存在,其将有效的阻碍内高温等离子体因膨胀而引起的能量损失.对无预脉冲而言,直接入射激光能量都沉积在靶表层形成表层高温等离子体.但是激光直接入射而产生的等离子体辐射总强度只比由预脉冲情况下产生的金等离子体辐射强度增加15%.而预脉冲能量只占激光总能量的2%.实验结果显示Al光谱线主要来自类氢,类氦离子跃迁.Au等离子体光谱线主要来自它的N带,O带和P带谱.我们也观察到一个明显的软X射线短波发射极限.所有结果显示由于预脉冲的存在将对靶各层等离子体辐射产生极大的影响