纤维增强复合材料激光烧蚀效应的数值模拟

考虑材料的热解、氧化、相变及辐射和内外对流换热等物理过程,给出了激光烧蚀纤维增强复合材料的物理模型及数学模型。以碳纤维/环氧树脂复合材料为例,编程计算了材料的激光烧蚀过程,计算结果与实验结果符合得较好。计算结果表明：考虑复合材料的内对流时得到的结果更准确;较强功率密度激光辐照时,氧化对烧蚀的贡献可以忽略;功率密度一定时,烧蚀质量随时间近似为线性变化,功率密度越高,烧蚀效率越高。以辐照结束时背表面温度及烧蚀质量为目标物理量,对烧蚀过程做了参数敏感性分析,结果表明：热容及热导率对背表面温度的影响较大;树脂含量对烧蚀质量的影响较大,但其相对敏感度随激光功率密度增加而下降;激光功率密度超过1 kW/cm2时,辐射系数对烧蚀质量影响较大,但其相对敏感度随激光功率密度增加而下降。     

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。     

“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。     

“烧蚀模式”激光推进技术及其应用研究

随着激光技术的发展,激光推进技术越来越受到关注.“烧蚀模式”激光推进是激光推进技术中一个重要的研究领域.本文在介绍了“烧蚀模式”激光推进的原理、研究现状和几个亟待解决的热点研究问题的基础上,对激光推进的进一步应用进行了探索与研究.     

激光推进的初步数值模拟研究

激光与等离子体相互作用研究的一个重要应用背景是激光推进,本文采用二维数值模拟方案,对激光推进所涉及的激光维持等离子体的特性进行了一些初步研究。研究中考虑了工质对激光能量的吸收与辐射热损失,以及吸收室形状对激光维持等离子体特性的影响。模拟结果有助于了解激光推进中激光维持等离子体产生的物理机制及有关的复杂流动与传热现象。     

"烧蚀模式"激光推进技术及其应用研究

随着激光技术的发展,激光推进技术越来越受到关注."烧蚀模式"激光推进是激光推进技术中一个重要的研究领域.本文在介绍了"烧蚀模式"激光推进的原理、研究现状和几个亟待解决的热点研究问题的基础上,对激光推进的进一步应用进行了探索与研究.     

脉冲激光烧蚀推进技术的航天应用进展

脉冲激光烧蚀推进技术具有比冲高和推力可精确控制的特点,既可用于发射有效载荷也可用于星载动力,甚至可用小行星表面物质作为推进剂使其偏转轨道,因此,在航天领域得到越来越多关注。围绕激光单级入轨发射、同步轨道和火星轨道运输;激光微推力器用于航天器姿轨控,以及激光与电组合推进;激光烧蚀操控cm级空间碎片的轨道,以及激光烧蚀操控较大尺寸碎片的姿态;激光烧蚀偏转小行星轨道等方面,对脉冲激光烧蚀推进技术在航天领域研究现状和进展,进行了系统全面地归纳和总结,并对激光平均功率、波长、脉宽和推进剂选材等关键问题,进行了详细分析。     

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     

脉冲强激光冲击力学效应的数值模拟

利用一维理想弹塑性流体动力学模型和有限差分方法，研究了激光辐照固态靶材时产生的形成和衰减过程以及动态断裂。     

双波长环形腔掺铒光纤激光器建模及模式竞争的仿真

利用Giles模型建立双波长环形腔掺铒光纤激光器模型,根据增益损耗匹配条件对1550 nm与1555 nm双波长的模式竞争进行了仿真。结果表明,在均匀增益加宽模型下,损耗谱的微小变化对激光的模式竞争过程有较大影响。当两模式各自的损耗与增益相匹配时,它们的输出功率相当; 但0.1 dB的随机损耗波动将导致两个模式输出功率的相对波动幅度分别达到9.59％和9.52％。当损耗长时间偏离匹配状态0.05 dB时,一个模式将逐渐减弱并最终湮灭,另一个模式得到增强。     

Nanoparticle Formation by Laser Ablation

The properties of nanoparticle aerosols of size ranging from 4.9nm to 13nm, generated by laser ablation of solid surfaces are described. The experimental system consisted of a pulsed excimer laser, which irradiated a rotating target mounted in a cylindrical chamber 4cm in diameter and 18-cm long. Aerosols of oxides of aluminum, titanium, iron, niobium, tungsten and silicon were generated in an oxygen carrier gas as a result of a reactive laser ablation process. Gold and carbon aerosols were generated in nitrogen by non-reactive laser ablation. The aerosols were produced in the form of aggregates of primary particles in the nanometer size range. The aggregates were characterized using a differential mobility analyzer and electron microscopy. Aggregate mass and number concentration, electrical mobility size distribution, primary particle size distribution and fractal dimension were measured. System operating parameters including laser power (100mJ/pulse) and frequency (2Hz), and carrier gas flow rate (1l/min) were held constant.A striking result was the similarity in the properties of the aerosols. Primary particle size ranged between 4.9 and 13nm for the eight substances studied. The previous studies with flame reactors produced a wider spread in primary particle size, but the order of increasing primary particle size follows the same trend. While the solid-state diffusion coefficient probably influences the size of the aerosol in flame reactors, its effect is reduced for aerosols generated by laser ablation. It is hypothesized that the reduced effect can be explained by the collision-coalescence mechanism and the very fast quenching of the laser generated aerosol.     

激光与固体靶面烧蚀等离子体的能量耦合计算

 强激光辐照下固体靶表面迅速汽化产生靶蒸气等离子体,激光穿过等离子体区到达固体靶表面的过程就是激光束与等离子体的能量耦合与交换过程。采用具有五阶精度的WENO差分格式和简易等离子体状态方程模型对激光与等离子体相互作用的复杂物理过程进行了数值计算,分析了激光束能量在等离子体区中的吸收、屏蔽效应等动态耦合规律以及激光支持等离子体前驱冲击波传播。数值模拟结果表明：激光能量是支持靶面等离子体运动的唯一原因,能量屏蔽效应对激光与等离子体能量耦合有很大影响,通过控制激光脉冲宽度,可以合理调节屏蔽效应的影响。     

脉冲激光推进轻型飞行器的特点分析

采用微分方程数值解法计算地基脉冲激光推进轻型飞行器的运动方程，分析了大气呼吸模式、烧蚀模式以及两种模式相结合方式下飞行器的飞行特点。计算分析发现：空气呼吸模式推进飞行器的最大速度有限；烧蚀模式可以使飞行器产生很高的速度，提高冲量耦合系数和比冲，有利于提高飞行器的最高速度；两种模式相结合的推进方式提高了有效载荷比，但能源利用效率比烧蚀模式要低。为轻型飞行器激光推进的优化提供了参考。     

High Coupling Efficiency Generation in Water Confined Laser Plasma Propulsion

High coupling efficiency generation in water confined laser plasma propulsion is investigated. It is found that the coupling efficiency is enhanced over thirty times in water confined ablation compared to that of direct ablation. From calculation of the ablation pressure induced by the plasma on the target surface, it is realized that high coupling efficiency is attributed to the confinement of the water layer on the plasma expansion.     

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。     

激光推进应用中的远场光束质量评价参数研究

为进行高能脉冲激光远场光束质量评价，从激光器、发射光学系统、光束控制系统和大气传输4个方面分析了光束传输与控制辱统对远场光束质量的影响。在此基础上，综合考虑远场激光的时、空域参数，提出了一套光束质量评价指标体系，该指标体系包括远场激光的能量聚集度、能量均匀性、时间持续性和瞄准稳定性4个方面指标，共11个可实际测量的参数。     

100kW功率固体激光中继镜系统对1km高度目标作用效果模拟

分析了激光中继镜技术的概念及丁作过程,建立了中继镜系统模型,并在Hufnagel-Valley 5/7大气湍流模型条件下分别计算了100 kW功率,10 km高度,发射、接收、二次发射望远镜均为外径0.5 m、内径0.2 m望远镜的固体激光中继镜系统和100 kW功率,外径0.5 m、内径0.2 m发射望远镜的常规高能激光系统对1 km高度目标作用的极值功率密度与目标水平距离的关系曲线.由于中继镜系统对目标可作用时间长,根据相关资料确定常规激光系统和中继镜系统的极值功率密度破坏阈值标准分别为4000 W/cm2和800 W/cm2.分析结果得到常规高能激光系统对目标的最大可作用距离为1.38 km,中继镜系统的最大可作用距离为12.2 km.     

Efficiency of Using a Substance for Spectral Analysis under Different Conditions of Laser Ablation

The efficiency of using the substance analyzed for spectral analysis of copper-zinc alloys exposed to single and double laser pulses has been estimated. It is shown that the efficiency of using the substance depends strongly on the conditions of laser ablation and that it is higher in the case of two-pulse laser action as compared to a single-pulse one.     

激光线聚焦驱动平面银靶的二维数值模拟

介绍新研制的二维非平衡辐射流体力学程序XRL2D的物理方程以及计算方法,并对神光Ⅱ上典型的类镍银X光激光实验条件,用3种ALE计算方法模拟了预主脉冲线聚焦驱动银平面靶的流体运动.几种方法模拟给出的物理图像清晰且相似,类镍离子丰度分布呈弯月形,同实验上XRL场图呈弯月形分布一致.对3种计算方法给出的结果进行了细致的比较分析.