自由振荡钕玻璃激光照射下LY12铝靶的喷溅和吸收波现象

本文研究了在自由振荡钕玻璃激光照射下LY12铝靶产生喷溅的物理机制及特性。这种幅度与时间无规律变化的激光序列尖峰脉冲的单个脉冲宽度约2μs，脉冲间隔约5μs。在这些脉冲作用下产生的喷溅过程也呈现相应的序列特性。在10^7W／cm^2的激光平均功率密度下，个别的尖峰脉冲功率密度可大于10^8W／cm^2。用分幅和扫描高速相机分别测量速度较低的喷溅物汽化运动图象，观察到了以7．7mm／μs的速度逆着入射激光方向传播的靶蒸汽和等离子体的喷溅过程，这相应于激光吸收波现象，并发现有屏蔽效应。     

主脉冲参数和入射条件变化对等离子体状态的影响

用一维非平衡辐射流体力学程序，计算和分析了主脉冲激光斜入射与预脉冲垂直入射耦合作用锗靶介质的等离子体状态和激光增益区。研究表明，主脉冲以４０°斜入射与其垂直入射相比，在相同靶面功率密度下，电子、离子温度、等离子体烧蚀深度下降约１０％。在相同的靶面总能量下，４０°斜入射电子温度下降约１５％～２０％。采用主激光斜入射时间延迟技术，这种下降差别还会更小，能量吸收效率会更高，激光增益区更大。     

主脉冲参数和入射条件变化对等离子体状态的影响

 用一维非平衡辐射流体力学程序,计算和分析了主脉冲激光斜入射与预脉冲垂直入射耦合作用锗靶介质的等离子体状态和激光增益区。研究表明,主脉冲以40°斜入射与其垂直入射相比,在相同靶面功率密度下,电子、离子温度、等离子体烧蚀深度下降约10%。在相同的靶面总能量下,40°斜入射电子温度下降约15%～20%。采用主激光斜入射时间延迟技术,这种下降差别还会更小,能量吸收效率会更高,激光增益区更大。     

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。     

激光照射下铝靶表面汽化压力的测量

 本文分析了会聚自由振荡钕玻璃脉冲激光束辐照平面铝靶的汽化特性。在激光功率密度约10 MW/cm²下，由拍摄激光与靶相互作用产生射流发光的时间积分照片测得靶面的汽化压力约3.6 GPa。把时间积分照片与高速分幅照片比较，证明在激光与靶相互作用一段时间后确实存在着马赫盘。     

多级碱金属蒸气激光放大器的输出特性

在全面分析碱金属蒸气激光放大器的激光动力学与流体动力学过程的基础上,结合热效应、饱和放大效应、放大自发辐射、高能级激发与电离的影响,建立了一个相对完善的物理模型来模拟流动散热条件下半导体抽运碱金属蒸气激光放大器的输出特性。计算模拟了纵向和横向两种不同流动方式下,气体流速对输出功率的影响,比较分析了高抽运功率密度下各能级粒子数密度的变化趋势,最后模拟了各级放大器的功率分配比对提高级联放大器输出效率的作用。结果表明:在相同工作温度条件下,多个等长蒸气池和均等抽运光功率分配能让高级数放大器获得比低级数放大器更高的放大倍数。所提模型有助于高功率碱金属蒸气激光放大器的参量选择和优化设计。     

重频激光作用下碳纤维/环氧树脂复合材料热损伤规律

 运用热化学分析、扫描电子显微技术等手段,分析了碳纤维增强环氧树脂基复合材料在ms量级重频激光辐照下的损伤形式,研究了峰值功率密度、辐照时间、重复频率和脉冲宽度等对复合材料烧蚀规律的影响。研究结果表明：在激光辐照过程中,复合材料树脂基体在300 ℃开始裂解;由于裂解气体的保护作用,碳纤维不发生氧化,而是在汽化点（3 300 ℃）汽化烧蚀;复合材料热烧蚀率随峰值功率密度和重复频率提高而增大,随辐照时间增加而减小,最终均趋于定值;增加脉冲宽度可以提高辐照区峰值温度,降低碳纤维损伤的功率密度阈值。     

超强激光等离子体推进新机制

应用Compton散射模型、平均原子模型和碰撞-辐射模型,研究了超强激光等离子体推进机制,提出了将入射光和Compton散射光作为超强激光等离子体推进新机制,给出了束缚电子占据概率和流体力学修正方程,得到了O、Ne、N、Xe的等离子体烧蚀压、等效烧蚀深度和烧蚀速度随入射激光功率密度变化的模拟结果。结果表明:与散射前相比,随着激光功率密度增大,Xe烧蚀压最大,其次是Ne、O、N;O等效烧蚀深度最大,其次是N、Xe、Ne;Ne弛豫时间最长,其次是O、N、Xe;Xe烧蚀速度最快,其次是Ne、O、N。采用含电子多的轻元素超强激光等离子体,有利于等离子体整体推进。     

激光探测过程中CCD的串音饱和现象分析

为了验证激光辐照CCD时产生的串音饱和现象,从理论上给出了单束激光辐照下CCD发生串音饱和时的物理模型,并在此基础上给出了两光束入射情况下CCD发生串音饱和时的物理模型。通过定量计算得到了激光入射能量密度与CCD饱和像素数量的关系曲线和具体数据,并通过实验进行了验证。理论和实验结果表明,入射激光功率密度与CCD饱和区域面积之间呈非线性关系。当两束光同时进入CCD时,其中一束光的功率的增加会对另一束光的探测起到明显的干扰作用。     

脉冲放电激励的钡蒸气激光的研究

设计和制作了新型结构的金属蒸气激光放电管.用钡为激光介质,通过纵向高频快脉冲放电激励,在国内首次实现波长为113μm和150μm的红外钡蒸气激光振荡,激光成分主要集中在150μm这条谱线上,激光输出功率和功率密度分别达12W和333mWcm3.测量并讨论了各工作参量和激光输出特性之间的关系     

Thermal dynamics-based mechanism for intense laser-induced material surface vaporization

Laser material processing involving welding, ablation and cutting involves interaction of intense laser pulses of nanosecond duration with a condensed phase. Such interaction involving high brightness radiative flux causes multitude of non-linear events involving thermal phase transition at soild-liquid-gas interfaces. A theoretical perspective involving thermal dynamics of the vaporization process and consequent non-linear multiple thermal phase transitions under the action of laser plasma is the subject matter of the present work. The computational calculations were carried out where titanium (Ti) was treated as a condensed medium. The solution to the partial differential equations governing the thermal dynamics and the underlying phase transition event in the multiphase system is based on non-stationary Eulerian variables. The Mach number M depicts significant fluctuations due to thermal instabilities associated with the laser beam flux and intensity. A conclusive amalgamation has been established which relates material surface temperature profile to laser intensity, laser flux and the pressure in the plasma cloud.      

激光感生等离子体特性的三维数值模拟

在激光焊接过程中,作用于金属工件表面的高强度激光会引起材料的强烈蒸发,金属蒸汽与入射激光相互怍用,又会引起金属蒸汽部分电离,形成激光感生等离子体。本文采用三维模拟方法,考虑保护气和侧吹气的影响,对激光感生等离子体中的温度与速度分布进行了研究。     

Pulsed laser evaporation: equation-of-state effects

Theoretical study of laser ablation is usually based on the assumption that the vapor is an ideal gas. Its flow is described by gas dynamics equations [1, 2]. The boundary conditions at vaporization front are derived from the solution of the Boltzmann equation that describes the vapor flow in the immediate vicinity of the vaporizing surface (so-called Knudsen layer) [1]. This model is applicable within the range of temperatures much lower than the critical temperature of target material. In the present work, a general case is considered when the temperature of the condensed phase is comparable to or higher than the critical temperature. The dynamics of both condensed and gaseous phases can be described in this case by the equations of hydrodynamics. The dynamics of vaporization of a metal heated by an ultrashort laser pulse is studied both analytically and numerically. The analysis reveals that the flow consists of two domains: thin liquid shell moving with constant velocity, and thick low-density layer of material in two-phase state. Received: 2 March 1999 / Accepted: 28 May 1999 / Published online: 21 October 1999     

电子枪功率与束宽对金属原子蒸气特性的影响

在原子法激光同位素分离工程中,电子枪加热金属铀产生的原子蒸气的密度、速度以及温度等宏观量分布特性是非常重要的参数.为了分析电子枪功率和束宽对原子蒸气密度、速度、温度、质量通量和速度分布等物理特性的影响,采用直接MonteCarlo方法用柱坐标模拟了铀原子平面蒸发动力学过程.在电子枪加热方式下,蒸发源温度场不均匀,而且温度场随电子枪功率和束宽变化.着重研究这种变化对蒸气各种物理特性的影响.模拟结果表明,电子枪功率越高,蒸气径向宏观漂移速度越大,蒸发量越大;电子束束宽越窄,蒸发量越大. 关键词： 金属蒸发 原子法激光同位素分离 直接MonteCarlo 电子枪     

纳秒脉冲激光诱导CCD探测器铝层金属液-固相变时间特性研究

从理论仿真计算方面开展了脉冲激光诱导CCD探测器铝层金属温升变化的液-固相变时间特性研究。通过傅里叶热传导方程计算仿真了纳秒激光诱导CCD探测器铝层金属材料的温升曲线,获得了铝层金属材料液-固相变起始时刻和液-固相变时间长度随激光脉冲峰值功率和激光入射角度的变化规律。理论计算结果表明,随着入射激光脉冲峰值功率增加,激光诱导CCD探测器铝层表面的最高温度逐渐升高,铝层材料的液-固相变起始时刻往后延迟,且液-固相变时间长度增加;随激光入射角度的增大,铝层表面的最高温度逐渐降低,液-固相变起始时刻不断前移,而液-固相变时间长度逐渐变短。研究结果表明,激光脉冲峰值功率密度和激光入射角对激光诱导CCD探测器的液-固相变时间特性有重要影响,对揭示纳秒激光诱导CCD探测器的热损伤机制有重要的理论意义。     

Interface kinetics during pulsed laser ablation

This work investigates evaporation kinetics -- the relation between the surface temperature and pressure during excimer laser ablation. Nickel targets are ablated by excimer laser pulses in a laser fluence range between 1 and 6 J/cm², with the upper limit exceeding the threshold of phase explosion (5 J/cm²). The surface pressure is determined with a polyvinylidene fluoride (PVDF) piezoelectric transducer. When phase explosion occurs, the surface temperature is known to be near the thermodynamic critical temperature, therefore, by measuring the surface pressure, the surface temperature-pressure relation is determined at the threshold fluence of phase explosion. The surface temperature and the threshold fluence of phase explosion are also estimated from the measured velocity of the vapor plume and gas dynamics calculations. It is shown that, during excimer laser ablation, the temperature and pressure relation deviates significantly from the equilibrium kinetic relation.     

高功率二极管激光器相变冷却技术

根据高功率二极管激光器的散热需求,设计了一种储能式相变冷却实验系统,并开展了喷雾相变冷却器和微通道相变冷却器的设计。采用多孔微结构的换热表面,用氨做制冷剂,实现了喷雾相变冷却器表面温度37 ℃时,散热功率密度达到了511 W/cm2。采用节流汽化原理,分别设计了背冷式相变微通道冷却器和薄片型的模块式相变微通道冷却器,背冷式相变微通道冷却器采用氨做制冷剂, 散热功率密度达到了550 W/cm2,采用R124做制冷剂,散热功率密度约270 W/cm2。采用R124做制冷剂,实现了脉冲激光功率3 kW和连续激光功率100 W的相变冷却二极管激光器模块封装。     

纳秒脉冲激光沉积薄膜过程中的烧蚀特性研究

研究了高能短脉冲激光薄膜制备的整个烧蚀过程.首先建立了基于超热理论的烧蚀模型，然 后利用较为符合实际的高斯分布表示脉冲激光输入能量密度，给出了考虑蒸发效应不同阶段 的烧蚀状态方程.结合适当的边界条件，以Si靶材为例，利用有限差分法得到了靶材在各个 阶段温度随时间和烧蚀深度的演化分布规律及表面蒸发速度与烧蚀深度在不同激光辐照强度 下随时间的演化规律.结果表明，在脉冲激光辐照阶段，靶材表面的蒸发效应使得靶材表面 温度上升显著放缓；在激光辐照强度接近相爆炸能量阈值时，蒸发速度与蒸发厚度的变化由 于逆流现象将显著放缓.还得到了考虑了熔融弛豫时间及蒸发效应的固-液界面随时间的演化 方程，这一结论较先前工作更具有普适性. 关键词： 脉冲激光烧蚀 热流方程 温度演化 有限差分法     

Properties of lasers based on vapors and solutions of complex organic compounds

We present the most important results of investigations of lasers based on vapors and solutions of complex organic compounds. We investigated the effect of a foreign gas, the duration and intensity of the exciting pulse, the temperature of the active medium, and the spectroscopic parameters of the material on the generation characteristics of complex molecules in the gas phase. The special features of generation of radiation by a laser with distributed feedback in transition from a condensed to the gas phase in heating the active medium are considered. It is suggested that the polarization characteristics of the radiation generated by a vapor laser be used to investigate the laws that govern the relaxation of optically induced anisotropy of excited molecules of the active medium. Institute of Molecular and Atomic Physics, National Academy of Sciences of Belarus, 70, F. Skorina Ave., Minsk, 220072, Belarus. Translated from Zhurnal Prikladnoi Spektroskopii, Vol. 65, No. 5, pp. 709–720, September–October, 1998.     

短脉冲激光作用下丙酮液池沸腾现象的瞬态观测

本文对短脉冲激光作用下试件表面的温度变化和丙酮液体汽泡行为进行了瞬态观测,研 究了激光参数和细小金属颗粒等因素对丙酮液体沸腾行为的影响。结果表明：激光参数中,脉宽是 影响温度曲线和汽泡行为的主要因素,随着激光脉宽增大,大汽泡的长大时间和脱离直径减小;汽 泡长大速度与常规沸腾时的完全不同,没有出现等温生长阶段,在激光脉冲后很长时间内汽泡长大 速度快速增大;试件表面覆盖细小金属颗粒后,沸腾过程变得非常剧烈。