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。     

强激光烧蚀平面靶的实验研究

此文叙述了采用晶体谱仪和X射线条纹相机等探测器测量平面靶强激光烧蚀参数的方法 ,给出了铝平面靶和碳氢平面靶的质量烧蚀速率和烧蚀压。实验结果与收集到的国外数据进行了比较 ,二者在误差范围内一致。同时探索了金平面靶强激光烧蚀参数的实验研究方法。     

两种纤维增强复合材料连续激光烧蚀阈值测量及吸收特性分析

 通过双积分球-光电管测试系统和摄像记录的方法,对芳纶纤维/环氧和碳纤维/环氧两种复合材料在1.319 μm连续激光作用下的烧蚀阈值和烧蚀过程中材料对激光能量的吸收特性进行了实验研究。结果表明：芳纶纤维/环氧复合材料的平均烧蚀阈值随材料厚度增加而降低,碳纤维/环氧复合材料的平均烧蚀阈值不受材料厚度影响,约为70 W/cm²;两种纤维增强复合材料烧蚀前的反射率随激光功率增加而缓慢增大,芳纶纤维/环氧材料从0.40变化到0.45,碳纤维/环氧材料从0.15变化到0.20;当发生烧蚀时,芳纶纤维/环氧材料的反射率急剧下降,吸收率增大,碳纤维/环氧材料的反射率无明显变化,吸收率约为0.80。     

铝靶三倍频激光烧蚀参数实验研究

叙述了采用时间空间积分晶体谱仪和时间分辨晶体谱仪等探测器测量铝平面靶强激光烧蚀参数的方法，给出了三倍频强激光烧蚀铝平面靶的质量烧蚀速率和烧蚀压。实验结果与收集到的国外数据进行了比较，它们在误差范围内一致。     

飞秒激光的波长对SiC材料烧蚀的影响

利用10倍的显微物镜将近红外飞秒激光脉冲汇聚到宽带隙半导体材料6H SiC的前表面,研究样品的烧蚀及诱导微细结构。用扫描电镜(Scanning electron microscope,SEM)及光学显微镜测量烧蚀斑。利用烧蚀面积与激光脉冲能量的关系确定SiC的烧蚀阈值。给出了SiC样品的烧蚀阈值与飞秒激光波长的依赖关系。实验结果表明,可见光区随波长增加,烧蚀阈值从0.29J/cm2增加到0.67J/cm2;而在近红外区,SiC的烧蚀阈值为0.70J/cm2左右,基本上不随激光波长变化而改变。结合计算结果,可以认为在飞秒激光烧蚀SiC的过程中,在近红外区,光致电离和碰撞电离均起到了重要的作用;而在可见光区,光致电离的作用相对大一些。     

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。     

基于发射光谱及成分分析的激光除漆机理研究

基于激光诱导击穿光谱和X射线能谱技术,测量了激光与油漆作用时发射光谱及作用前后元素成分的变化,以此研究了激光除漆的机理。实验测量了不同纳秒激光能量下激光诱导击穿油漆表面的光谱,计算了等离子体的电子密度和温度。通过扫描电子显微镜对油漆烧蚀形貌进行了分析,采用X射线能谱仪测量了烧蚀前后油漆成分的变化。研究结果表明,等离子体电子密度、温度以及烧蚀区域大小都随着入射激光能量的增加逐渐增加。在激光作用前后油漆中碳(C)含量明显降低,原子百分比从78.25%降低到67.07%,说明激光与油漆作用过程中发生了烧蚀。通过对比钛(Ti)元素、C元素和铝(Al)元素的相对原子比例,表明更高的激光能量下油漆烧蚀的更剧烈。该工作对深入研究激光除漆机理有重要意义。     

用激光诱导击穿光谱测量铝合金的激光烧蚀阈值

采用正交几何配置的双波长双脉冲激光烧蚀-激光诱导击穿光谱技术准确测量了铝合金样品的激光烧蚀阈值。在烧蚀激光波长为532 nm、脉宽为12 ns并采用焦距为2 cm的非球面透镜强聚焦的条件下,得到铝合金的激光能量烧蚀阈值为48 J,等效的能量密度烧蚀阈值为9.8 J/cm2。该技术是一种新的激光烧蚀阈值的光谱测量手段,与传统的测量技术相比,具有高灵敏、准确、快捷和便利的特点,可以用于不同材料的激光烧蚀阈值的准确测量。     

高速气流对C/SiC复合材料激光烧蚀行为影响的实验研究

为了明确高速气流对C/SiC复合材料激光烧蚀行为的影响机制,开展了不同环境下强激光对C/SiC复合材料的烧蚀对比实验研究。利用激光器与高速风洞联合实验平台,完成了静态以及Ma 1.8,Ma 3.0,Ma 6.0气流环境下2D与3DN C/SiC复合材料激光烧蚀实验。结果表明,与静态环境相比,高速气流对C/SiC复合材料的激光烧蚀行为产生了显著的影响,气流的冲刷使得烧蚀坑呈现出更宽、更深、更光滑的变化趋势。随着气流速度的增长,线烧蚀速率与质量烧蚀速率逐渐增大,主要原因为当地静压降低引起的升华速率增大,以及动压增大引起的剥蚀速率增大。此外,通过实验对比了不同构型对C/SiC激光烧蚀行为的影响。结果表明：2D C/SiC复合材料由于厚度方向更低的导热能力、更低的孔隙率等原因,其在不同环境条件下抗烧蚀能力均强于3DN C/SiC复合材料。     

1.053μm激光辐照金箔靶发射X射线能谱的实验研究

在“星光-Ⅱ”单束高功率激光装置上利用束匀滑的钕玻璃基频激光辐照不同厚度的金箔靶,测量了金箔靶前向和背向的X射线能谱、X射线辐射能量角分布及X射线能谱时间变化过程,研究了金箔靶中激光烧蚀及辐射烧蚀过程;获得了不同厚度金箔、不同激光功率密度及不同角度等几种条件下其前后向X射线能谱的定量测量结果,同时从不同厚度的金箔背侧X射线能谱时间过程观察到明显的辐射热波时间延迟. 关键词： 金箔靶 X射线能谱 辐射烧蚀 辐射热波     

飞秒激光打孔硅的孔洞形貌研究

在飞秒激光打孔硅材料过程中,为了得到表面等离子体效应和激光烧蚀形成的孔洞对后续激光能量在孔内分布的影响,建立单脉冲等离子体阈值理论模型及设计连续飞秒激光烧蚀硅材料实验.理论计算得到的损伤阈值为0.21J/cm2,符合实验模型测得的阈值0.20~0.25J/cm2.当载流子密度达到临界值Ncr,等离子体的激发会导致表面反射率短时间内急剧上升.入射激光通量从0.5J/cm2增大到3.0J/cm2,烧蚀深度逐渐增大并趋于约1.1μm,同时脉宽从150fs减小到50fs,烧蚀结构类似于椭圆形烧蚀轮廓.后续激光脉冲辐照在已形成的孔洞上时,基于时域有限差分法,控制光束与孔壁的夹角从79℃到49℃,激光能量越接近孔底中心,越易引发该范围内的等离子体激发;且在不同偏振态光束辐照下,孔底的能量分布不同会造成相应特殊的烧蚀形貌.增大激光通量和减小脉冲宽度获得理想的初始孔洞结构,可使后续脉冲能量集中孔底中心区域,打孔效果更好.     

双束探测光测量激光等离子体动量

提出了一种对激光等离子产生的靶速度进行测量的新方法。该方法除了对烧蚀靶的速度进行直接测量外,而且测量结果不受靶宽度及探测光束的影响。与理论值相比,该方法的实验测量误差小于2%。此外,利用该测量方法对激光烧蚀不同温度下液体水的动量进行了测量,结果发现随水温度的降低,产生的动量呈现增加趋势。     

激光驱动飞片过程中激光烧蚀深度的计算

利用激光体烧蚀模型,数值模拟了激光驱动飞片的加速过程,包括激光的吸收和飞片的速度历史等。在光强为GW/cm2量级的激光作用下,激光烧蚀产生的等离子体的流体力学运动可用改编的1维La-grange流体力学计算程序SSS来描述。通过计算得到不同激光能量下的飞片密度剖面,由此给出金属薄膜的烧蚀深度与实验测量值进行比对,二者符合得较好。     

长脉冲激光辐照LY—12铝靶烧蚀表面的后退速度

用烧穿靶法测量自由振荡长脉冲 1.06μm会聚激光束烧蚀LY-12铝合金靶时间,用电子微量天平、金相显微仪、收集器等测量激光烧蚀铝靶材参量Am和h的技术,给出激光束烧蚀铝靶的烧蚀表面后退速度和烧蚀速度的结果。当烧蚀靶材的激光通量I=10~5～10~7W/cm~2时,烧蚀表面后退速度为0.5～3.8m/s,烧蚀速度为 1～8g/s。     

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。     

自由面被烧蚀磁驱动飞片的数值模拟

为了理解磁驱动飞片自由面烧蚀的机理、自由面被烧蚀后飞片的物质状态、自由面被烧蚀后激光速度干涉仪(VISAR)测量的机理等,采用磁驱动数值模拟程序MDSC2对聚龙一号装置上PTS-151发次磁驱动飞片实验中370 m厚飞片进行了模拟和分析。数值模拟表明,334 ns之前飞片自由面部分保持固体状态,334 ns之后飞片自由面部分已经熔化,到340 ns后整个飞片都被熔化。飞片自由面烧蚀的主要机制是电流焦耳加热,热扩散和压缩做功的贡献很小。数值模拟的固体密度反射面速度历史和VISAR测量的速度历史一致。飞片自由面熔化后,VISAR测量的速度是距离自由面最近的固体密度反射面的速度。     

高强度二倍频激光辐照银薄膜靶的烧蚀和X光辐射实验研究

激光聚变物理实验中,背光透视照相是靶丸内爆动力学过程观测的重要方法. Ag是一种重要的背光材料, 激光辐照产生的等离子体可以产生强L线辐射, 研究其烧蚀和辐射特性, 对提高内爆靶丸背光透视照相的图像质量具有十分重要的意义.在神光II装置上, 采用第九路输出的2 ns, ～ 5× 10¹⁴ W/cm², 526.5 nm激光均匀辐照Ag薄膜靶, 实验研究了其烧蚀特性, 获得了银薄膜靶在激光烧蚀驱动下的飞行轨迹和飞行速度的数据. 实验结果与一维辐射流体力学模拟结果相符. 火箭模型对实验数据进行拟合, 得到了Ag材料的质量烧蚀速率和烧蚀压的数据. 采用平面晶体谱仪和X射线二极管探测器阵列观测等离子体的辐射特性, 获得了Ag等离子体辐射光谱和L线转换效率, 实验结果对激光聚变内爆靶丸背光照相的实验设计具有重要的参考价值.     

激光烧蚀-双光束二极管激光原子吸收光谱法测定固体样品中的铀同位素比

以两个二极管激光作为光源 ,采用激光烧蚀 双光束二极管激光原子吸收光谱法测定了2 3 5U/ 2 3 8U同位素比。实验对用于样品烧蚀的Nd :YAG激光聚焦点位置进行了优化 ,在同时满足一定原子化程度和较高2 3 5U 6 82 6 736nm信背比的原则下 ,选择了聚焦点位置低于样品表面 0 4cm作为分析条件。测量2 3 5U/ 2 3 8U同位素比的精密度和准确度分别为 5 %和 2 % ,2 3 5U检测限为 18μg·g-1。结果表明 ,双光束检测法能消除激光烧蚀脉冲间信号波动对测量重现性的影响 ,比早先报道的单光束检测法在精密度和准确度上有了很大的改善     

Ar环境气压对纳米Si晶粒成核区范围的影响

为了研究不同环境气压条件下纳米Si晶粒成核区的范围,采用波长为308 nm的 XeCl脉冲准分子激光器,分别在1-200 Pa的Ar气环境下, 烧蚀高阻抗单晶Si靶,在距离烧蚀点正下方2.0 cm处水平放置一系列单晶Si 或玻璃衬底,沉积制备了纳米Si薄膜. Raman谱和X射线衍射谱测量证实了薄膜中纳米Si晶粒已经形成. 扫描电子显微镜的测量结果表明,环境气压的变化影响了衬底上纳米Si晶粒的平均尺寸及其分布范围. 根据成核区位置的确定方法,计算得出随着环境气压的增加纳米Si晶粒成核区的范围先变宽后变窄的规律. 从烧蚀动力学的角度对实验结果进行了分析.     

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提出了一种以多目标参数优化确定热斑的温度和密度径向分布的方法。用热斑中心位置和燃料界面位置对应的电子温度、靶剩余烧蚀层峰值密度、剩余烧蚀层质量与初始烧蚀层质量的比值以及燃料与烧蚀层分界面位置构成五维变量空间参数空间的每个点描述一组温度和密度分布。将实验测量的X射线图像的归一化强度分布与理论模型计算的强度分布的方差作为两个目标函数;另一个目标函数是实验测量的热斑的平均温度与理论模型计算的平均温度的方差。通过多目标遗传算法搜索五维参数空间获得最优参数,从而获得最优的温度和密度分布。对KB显微镜配合X射线胶片测量的实验结果进行了计算,给出了热斑的最佳温度和密度的径向分布。由测试算例发现,温度分布对目标函数的依赖较强。