“飞溅”对力学效应影响实验研究

激光辐照液态工质,在激光能量密度较高时将出现特有的"飞溅"现象,该过程消耗了大量的工质。选取室温下甘油作为实验研究对象,针对烧蚀甘油发生飞溅过程中产生的力学效应,设计了流场显示和推力测量集成装置,使用YAG激光作为能量源,对甘油进行烧蚀。将得到的流场测量结果与推力曲线比对,找到发生飞溅对应的推力曲线部分,积分计算甘油发生飞溅对烧蚀总冲量贡献的比例。结果表明飞溅所消耗的大量甘油工质使用效率极低,未带来相应的冲量,是液态工质比冲过低的主要原因。因此,在以液体为工质的激光烧蚀推进技术中必须克服飞溅现象。最后给出一种通过碳掺杂来控制液体飞溅的方法,结果表明碳掺杂可以有效减少液体飞溅。     

多普勒振镜正弦调制多光束激光外差二次谐波测量微冲量

提出了一种正弦调制多光束激光外差二次谐波测量微冲量的新方法,将激光与工质靶作用产生的微冲量转化为扭摆的转动角度测量,基于激光外差技术和多普勒效应,把待测转角信息加载到外差信号的频率差中,经信号解调后可以得到待测转角值,通过多次测量取平均值的方法可以提高待测转角的测量精度,从而提高微冲量的测量精度。利用这种新方法,以PVC+2%C为工质靶,利用MATLAB仿真测量了激光与工质靶作用产生的微冲量,结果表明:该测量的最大相对误差小于0.8%。     

基于扭秤的激光干涉差动测量微小冲量方法

基于扭秤测量冲量原理,结合激光干涉法差动测量角度的方法,提出一种基于扭秤的激光干涉差动测量微小冲量的方法。介绍系统的基本组成和测量过程,给出扭秤结构设计参数,并对系统参数进行了标定,结合设计参数与标定结果,对系统的分辨率、量程和精度进行了校核,在典型的测量环境下,对激光烧蚀靶材所形成的Ns量级微小冲量进行了测量,给出了典型的测量结果并进行分析。结果表明:所提出的基于扭秤的激光干涉差动测量微小冲量方法,系统分辨率可达10-7Ns量级,测量范围跨5个数量级,最大可以测量10-2Ns量级冲量,测量精度优于95%。     

“烧蚀模式”激光推进的实验研究

 采用单脉冲激光进行了大气环境下激光烧蚀小钢珠实验,得到其推进效应参数,发现并分析了钢珠在不同放置位置（焦前与焦后）时不同的物理现象;为了得到一系列定量实验数据,采用自行研制的激光冲量靶仪进行了单脉冲激光烧蚀推进效应实验测试,得到了不同环境条件、不同靶材料的激光推进效应参数,并与国外的实验数据以及数值计算结果进行了比较。实验表明,靶材料和激光功率密度是影响冲量耦合系数的主要因素,冲量耦合系数随环境气压的降低而升高。     

激光辐照不规则空间碎片冲量矢量计算

研究了不规则空间碎片受激光辐照后的冲量变化。利用不论激光入射方向如何,烧蚀反喷方向始终沿着烧蚀平面法向方向这个实验现象,同时,根据NASA对于空间碎片形状的基本划分,分别计算了球体、柱形体和立方体受激光辐照后的冲量变化情况。计算结果表明:对于球体和立方体,无论激光辐照方向如何变化,冲量方向总是和辐照方向相同,冲量大小和垂直辐照相同材料的平板分别成固定比例关系;而对于柱形体,冲量大小和方向随着激光辐照方向变化而变化。     

飞秒双脉冲激光照射金属薄膜的热行为

通过双温方程对飞秒单脉冲与双脉冲照射金薄膜进行了计算模拟分析,得到了金靶的电子温度和晶格温度随着时间空间的变化。在同样激光能量密度下,单脉冲与双脉冲使得金膜温度的变化表明双脉冲使得更多的激光能量渗透到靶材内部,这些能量可以使得烧蚀深度更深,有利于提高激光烧蚀靶材的效率。计算结果显示随着激光能量密度的增加熔化面深度逐渐增加,单脉冲与双脉冲熔化面深度的变化明显不同。在激光能量密度高于损伤阈值附近,单脉冲的烧蚀深度大于双脉冲的烧蚀深度,随着激光能量密度增加,双脉冲的烧蚀深度将大于单脉冲的烧蚀深度。     

脉冲激光烧蚀材料等离子体反冲压力物理模型研究与应用

分析了脉冲激光烧蚀材料等离子体等温膨胀阶段的物理特性,建立了脉冲激光烧蚀材料等离子体压力三维方程与动力学模型.应用所建模型,数值分析了单脉冲激光烧蚀青铜金刚石砂轮等离子体相关特性,得到等离子体的反冲压力最大值870 Pa出现在约25 ns后,距离砂轮表面距离约0.05 mm处.相关条件下开展脉冲激光烧蚀青铜金刚石砂轮试验,采用高速相机观测烧蚀砂轮过程中的飞溅现象;采用光栅光谱仪测量等离子体空间发射光谱,计算了等离子体电子温度、电子密度以及反冲压力.实验表明脉冲激光烧蚀青铜金刚石砂轮等离子体反冲压力可以不计,同时也验证了气体方程与动力学模型的正确性和可行性,对脉冲光纤激光烧蚀工艺优化具有启示意义.     

激光推进冲量耦合系数的测量方法

 激光推进冲量耦合系数是激光推进的重要参数，反映激光能量转化为动能的能力。提出了水平双线支撑激光推进试验方法，推导了水平双线支撑激光推进时光船的运动方程和测量方程；通过高速相机测量位移，利用卡尔曼滤波计算速度的方法；解决了激光脉冲瞬间作用时速度随机起伏大和计算困难的问题。为水平激光推进冲量耦合系数的计算，提供了工程测量和计算方法。     

空间碎片典型材料激光烧蚀反喷羽流实验研究

建立了观测和记录不同激光入射角度烧蚀6061铝合金靶材等离子体反喷羽流特性的实验装置,对实验结果图像进行了处理,并对处理结果进行了数值拟合。拟合结果表明,激光辐照靶材后100ns内,等离子体反喷羽流大致分布区域为靶面外5mm×5mm。激光以不同角度入射时,等离子体反喷速度相对于靶面法线方向大致呈轴对称分布。当激光相对靶面法线方向小角度范围内入射时,激光烧蚀引起的冲量主要沿靶面法线方向,反喷羽流沿靶面法方向的速度为20~40km·s-1。激光斜入射时,反喷羽流沿靶面法线方向的速度要大于激光垂直入射的情况。高斯函数可以很好地描述等离子体反喷羽流速度分布。     

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。     

A method of measuring micro-impulse with torsion pendulum based on multi-beam laser heterodyne

In this paper, we propose a novel method of multi-beam laser heterodyne measurement for micro-impulse. The measurement of the micro-impulse, which is converted into the measurement of the small tuning angle of the torsion pendulum, is realized by considering the interaction between pulse laser and working medium. Based on Doppler effect and heterodyne technology, the information regarding the small tuning angle is loaded to the frequency difference of the multi-beam laser heterodyne signal by the frequency modulation of the oscillating mirror, thereby obtaining many values of the small tuning angle after the multi-beam laser heterodyne signal demodulation simultaneously. Processing these values by weighted-average, the small tuning angle can be obtained accurately and the value of the micro-impulse can eventually be calculated. Using Polyvinylchlorid+2%C as a working medium, this novel method is used to simulate the value of the micro-impulse by MATLAB which is generated by considering the interaction between the pulse laser and the working medium, the obtained result shows that the relative error of this method is just 0.5%.     

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     

Multi-use laser impulse pendulum and laser propulsion parameters measurement

In order to investigate the mechanisms of both the air-breathing and the ablation modes of laser propulsion under laboratory conditions, a multi-use laser impulse pendulum (MULIP) is developed. The measurable impulse range is from 1.0×10-4 to 3.8×10-3 N.s. The experimental calibration data agree well with the theoretical calculated data. With MULIP, the ablation mode has been performed, in which a high power pulsed Nd:glass laser (λ= 1.06μm,Τ= 20 ns) and a gray PVC film sample are used. The experimental results show that the maximum momentum coupling coefficient Cm is 7.73×10-5 N/W, and the maximum specific impulse Isp is 208.6 s.     

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。     

超短脉冲在光学介质中传输的B积分特性

 从非线性薛定谔方程出发,利用分步傅里叶算法对其进行求解,数值模拟了在超短脉冲激光系统中几种光学介质中的B积分传输规律,并对其特性进行了简要分析。数值计算结果表明,初始脉冲的输入光强与光学介质的增益系数的增大会使B积分值增加。脉冲形状对B积分值有一定影响,与飞秒高斯脉冲比较,当输入为ps级的啁啾脉冲时,B积分较小。针对所选计算模型,适当的群速色散与高阶色散可以减小B积分值。这对超短脉冲放大系统的设计有参考意义。     

Viscous liquid expulsion in nanosecond UV laser ablation: From “clean” ablation to nanostructures

This paper reviews recent results on modeling UV nanosecond laser ablation. Particular attention is given to a viscous liquid flow driven by ablation pressure. Based on the analysis of the Navier-Stokes equation, various strongly different manifestations of this phenomenon are explained. These are (i) a “clean” laser ablation, when the laser spot has a clean sharp spot border free of resolidified melt dross; (ii) a new form of material removal in laser ablation, expulsion on a poly(methyl methacrylate) target of long (up to 1 mm) nanofibers with a radius about 150–200 nm to the exterior of the spot under the action of a single pulse of a KrF excimer laser; and (iii) a new method of laser surface nanostructuring, the formation of a surface foam having a structure of micropores interconnected by nanofilaments with diameters of about 100 nm as a result of single-pulse KrF laser ablation of biopolymer films.     

直径对脉冲爆震发动机性能的影响

本文通过实验研究了脉冲爆震发动机的直径对其性能的影响．实验结果表明；当爆震室的直径增大时，爆震波压力波形相似，平均峰值压力比较接近，且比冲基本保持不变，而推力则随爆震室直径的增大而增大。实验曲线表明爆震室内的流动具有自相似性，从而为建立尺寸律提供了实验依据．本文中比冲和平均推力是利用摆动原理测量的，并与由作用在推力壁上的压力计算得出的比冲和平均推力的理论值和实验值进行了比较，结果基本吻合，说明该测量方法可行．