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。     

航空复合涂层材料的激光烧蚀效应

针对航空激光防护技术研究需求,开展了复合涂层材料的激光烧蚀效应综合研究。采用圆棒固体激光器作为测试光源,搭建了具有在线温度测量功能的烧蚀实验平台。在此基础上,对聚碳硅烷(PCS)涂层样品开展了激光烧蚀实验。通过对烧蚀区域形貌和温度数据的对比分析,证明了PCS复合材料具备显著的激光防护作用。同时,从理论方面对涂层的激光防护机理进行了研究,基于材料热传导方程,建立了激光烧蚀过程的热力学模型,对温度场变化进行了模拟。研究结果表明,在复合涂层的保护下,kW级激光仅产生百℃的金属基底升温。 (1. AVIC Beijing Institute of Aeronautical Materials, Beijing 100095, China;2. Chengdu Fine Optical Engineering Research Center, Chengdu 610041, China)     

航空复合涂层材料的激光烧蚀效应

针对航空激光防护技术研究需求,开展了复合涂层材料的激光烧蚀效应综合研究。采用圆棒固体激光器作为测试光源,搭建了具有在线温度测量功能的烧蚀实验平台。在此基础上,对聚碳硅烷(PCS)涂层样品开展了激光烧蚀实验。通过对烧蚀区域形貌和温度数据的对比分析,证明了PCS复合材料具备显著的激光防护作用。同时,从理论方面对涂层的激光防护机理进行了研究,基于材料热传导方程,建立了激光烧蚀过程的热力学模型,对温度场变化进行了模拟。研究结果表明,在复合涂层的保护下,kW级激光仅产生百℃的金属基底升温。     

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。     

约束靶面黑漆涂层对激光冲击波的影响

 介绍了约束靶表面的黑漆涂层对激光冲击波的影响。激光功率密度 10⁹W/cm²量级，脉宽33ns，波长1.06μm。靶材选用两种不同厚度的铜和铝，靶表面用有机玻璃约束。通过对冲击波压力的直接测量发现，涂层不仅可以增加激光冲击波压力，而且还影响冲击波的演化过程。比较有无涂层的靶面SEM照片发现，黑漆涂层能有效地保护激光辐照表面，使之不受激光烧蚀。     

约束靶面黑漆涂层对激光冲击波的影响

介绍了约束靶表面的黑漆涂层对激光冲击波的影响。激光功率密度 109W/cm2量级,脉宽33ns,波长1.06μm。靶材选用两种不同厚度的铜和铝,靶表面用有机玻璃约束。通过对冲击波压力的直接测量发现,涂层不仅可以增加激光冲击波压力,而且还影响冲击波的演化过程。比较有无涂层的靶面SEM照片发现,黑漆涂层能有效地保护激光辐照表面,使之不受激光烧蚀。     

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。     

激光分离脆性材料的研究

传统分离脆性材料的技术由于易产生残余应力、显微裂纹与边部碎屑等缺陷，越来越不能满足半导体工业高精度与高清洁度的要求。激光微细加工技术以无污染、无接触及加工精度高、操作柔性好等优势，正成为一种很有潜力的脆性材料精密加工技术。介绍了用于分离脆性材料的几种典型激光微细加工技术，包括激光烧蚀切割技术、激光诱导张应力控制微裂纹扩展技术与激光剥离技术的工艺原理、特点及研究现状，指出了其存在的主要问题并探讨了其改进措施。最后预测了激光分离技术的发展前景。     

基于等离子喷涂的反射型激光防护涂层研究

本文首先介绍了激光武器在未来战争中的突出地位和发展现状,阐明了高能激光束与目标材料相互作用时的热效应毁伤机理;总结了基于等离子喷涂的反射型激光防护涂层的研究进展,包括等离子喷涂金属涂层和陶瓷涂层的研究进展、以及各自的技术特点和防护效果,为高能激光防护领域的研究提供了借鉴。研究结果表明,控制金属涂层在激光辐照过程中的氧化现象能有效地提高涂层的激光防护性能,同时具有优异反射性能的新型陶瓷涂层在高能激光防护领域中有较好的发展前景。     

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。     

飞秒激光对高反膜的破坏及其超快动力学过程

研究了800nm飞秒激光照射下45°高反膜ZrO2-Si O2的破坏及其超快动力学过程。利用原子力显微镜和扫描电镜观察了材料的烧蚀形貌,测量了破坏阈值与脉冲宽度、烧蚀深度与脉冲能量的依赖关系。随着脉冲宽度从50fs增加到900fs,其烧蚀阈值从0.35J/cm2增加到1.78J/cm2。烧蚀深度与激光能流密度近似成对数关系。当激光强度略高于烧蚀阈值时,材料很快被烧蚀到几百纳米,烧蚀深度表现出明显的层状特性。同时,利用建立的抽运探针实验系统,测量了高强度抽运脉冲作用下材料对探针光的反射率随延迟时间的变化,揭示了薄膜烧蚀的超快动力学过程。实验结果表明高反膜表层的材料对烧蚀特性有重要影响。     

激光增益材料的光诱导损伤特性分析

通过激光放大器获得高功率的激光输出时,增益材料的损伤特性决定了激光器的使用寿命。以激光二极管（LD）端面泵浦的单片钕玻璃激光放大器为例,对泵浦过程增益材料内部的光场特性和热效应引起的端面应变进行了研究。结合电子增殖理论,建立了一个激光增益材料场致损伤特性分析模型。研究了增益材料内部的雪崩电离速率和多光子电离速率的变化规律,并根据临界自由电子数密度确定了材料发生损伤的具体位置。研究结果表明,激光增益材料发生损伤的位置受到信号光初始光强值、脉冲宽度和泵浦光功率密度影响。当初始光场能量一定,脉冲宽度从10 ns增加到13 ns时,损伤点向入射端方向移动大约14 mm。泵浦光功率密度越大,端面热效应越明显,材料更容易发生损伤。     

掺杂相对ZrB2陶瓷涂层抗激光烧蚀性能的影响

耐高温陶瓷作为高熔点材料,具有优异的高温抗烧蚀性能,有可能满足未来抗激光防护的需求。为摸清ZrB₂陶瓷涂层抗激光防护性能,采用高功率固体激光器作为测试光源,搭建了激光烧蚀实验平台和激光耦合特性测量系统,重点对ZrB₂陶瓷涂层开展了激光烧蚀实验和涂层反射率测试。实验研究了不同激光参数条件下ZrB₂涂层抗激光烧蚀性能,以及掺杂相(SiC、MoSi2)的影响。结果表明,相比于未掺杂ZrB₂涂层,掺杂后ZrB₂涂层抗激光烧蚀能力明显下降。分析认为掺杂相可提高ZrB₂涂层抗氧化性能,但不利于发挥氧化生成物ZrO2的高反射和隔热作用,致使抗激光损伤阈值降低。激光损伤前后涂层反射率的测试结果,也证实了ZrO2的高反射率是增强ZrB₂涂层抗激光损伤阈值的关键。同时,利用有限元软件建立了连续激光烧蚀下ZrB₂陶瓷涂层温度计算模型,并以基底发生熔化为判据,仿真得到了陶瓷涂层典型的抗激光烧蚀阈值参数。     

不同来流马赫数下激光能量形成高超声速进气道虚拟唇口的特性

用基于三维非定常可压缩雷诺平均Navier-Stokes方程的有限体积法计算了马赫数低于设计值6时一种高超声速进气道的性能参数,发现其性能存在明显下降。为提升进气道性能,将功率为15kW的激光能量注入进气道固体唇口前的流场中,形成虚拟唇口,马赫数为4.5,5.0和5.5时,计算得到来流捕获率分别提高了34%,20.6%和15.6%。绘制了不同马赫数下来流捕获率达到峰值时的流场压强云图,说明了虚拟唇口的特性及形成机制。结果表明:来流马赫数越低,来流捕获率越小,但相对于无能量注入时的来流捕获率的提升程度越明显;在不同来流马赫数条件下,通过改变激光能量引致的激波结构和位置,可达到最优状态,即激波与进气道前缘斜激波相交后的透射波打在进气道肩部位置的状态。     

1.06μm连续与脉冲激光对GaAs材料的联合破坏效应

通过1.06μm连续激光和脉冲激光联合破坏GaAs材料的实验研究, 给出了GaAs材料在三种不同的连续激光功率密度辐照下, 所需脉冲激光的破坏阈值, 结果表明, 联合破坏时所需脉冲激光的破坏阈值小于单独使用脉冲激光的破坏阈值。根据轴对称二维热模型, 计算了三种情况下连续激光辐照时GaAs材料的表面温度分布曲线及表面辐照中心处温升随辐照时间的关系, 并估算了其后作用的脉冲激光对材料的温升, 对实验及计算结果进行了分析, 并着重比较了联合破坏方式和单独破坏方式的优缺点。