用于激光对靶冲量测试的悬摆原理与应用

为了研究激光与靶材相互作用过程中存在的冲量传递问题,采用悬摆法和光电测速法相结合的测量方法,用于激光支持爆轰波对靶冲量耦合作用的实验测试研究.在考虑空气浮力、阻力、线重等因素后,建立合理的空气阻力模型,并根据功能原理和转动定理,得到了符合实际情况的悬摆运动方程,进而通过实验验证了摆运动方程的正确性.结果表明,该测试方法所得实验结果与BASS和CAI给出的实验结果基本一致.     

由激光靶冲量耦合实验结果判定激光支持爆轰波点燃阈值

根据激光吸收区等离子体组分与激光功率密度的关系判定激光支持爆轰波(LSDW)的点燃阈值。在激光靶冲量耦合实验的基础上,用悬摆动力学方程计算了激光支持爆轰波对铝靶冲量和冲量耦合系数;继而由靶冲量与激光吸收区膨胀介质(等离子体和气体)比热比的Jouguet条件,以及由二维流体动力学数值模拟获得的激光靶冲量随时间的变化过程,得到了激光吸收区介质的比热比随激光功率密度的变化情况,由此可得激光吸收区介质比热比随激光功率密度的增大而减少的结论;根据等离子体和气体比热比的差异定量分析了不同激光功率密度条件下激光吸收区气体和等离子体的构成。由等离子体含量随激光功率密度的变化关系得到了激光支持爆轰波的点燃阈值在(1.62±0.01)×108~(2.10±0.07)×108W/cm2间的结果。     

用于测量激光烧蚀下靶材获得冲量的方法

强激光与固体靶物质相互作用产生的等离子体膨胀对靶有强烈的反冲作用,这就是激光等离子体推进的基本思想。固体靶获得冲量大小的测量在研究冲量传递效率过程中有重要作用。采用一种悬摆法和光电测速法相结合的测量方法对激光等离子体膨胀时靶摆动的周期、角速度进行了实验测量,结合测试装置的几何结构和流体力学理论得到了有空气阻力影响下靶的摆动方程,并将实验测量的靶摆动周期与由摆动方程计算的结果进行了比较,两者之间的相对误差小于0．5％,即这一摆动方程能较精确地描述靶的摆动过程,采用此摆动方程和实验测量的靶摆动角速度求得了靶的冲量。理论和实验研究结果表明该测试方法具有结构简单、操作方便、测量精确度高等特点。     

不同激光参数与真空中铝的冲量耦合

冲量耦合是高功率激光烧蚀材料过程中的一个重要物理现象,成为许多应用研究的物理基础,而激光对材料的冲量耦合大小直接与所采用的激光辐照参数密切相关.在真空中,冲量耦合仅由蒸发波决定,反冲压力存在时间主要取决于激光脉冲维持时间,因而冲量计算须考虑材料的非定常气化过程.利用非定常透明蒸汽模型,研究了真空条件下不同波长和不同脉宽激光与铝靶作用时的冲量耦合系数及随入射激光功率密度的变化关系,计算结果与实验结果符合较好.     

脉冲波形对冲量耦合系数的影响

为了研究TEA CO2激光输出的脉冲波形对激光推进中冲量耦合系数的影响,通过激光技术手段,改变激光混合气体比例及压强,控制激光器脉冲输出波形,将激光的脉冲宽度压缩近50%.在此基础上进行的激光推进冲量耦合系数的实验测量和数值计算结果表明,对于大气呼吸模式TEA CO2激光推进而言,在不影响工质击穿功率密度的情况下,减小脉冲前段起击穿工质作用的尖峰部分占整个脉冲能量的比例,有利于获得高的冲量耦合系数.脉冲宽度大于二维运动的特征时间时,获得的冲量耦合系数也高于脉冲宽度偏小时所获得的冲量耦合系数.     

脉冲激光大光斑辐照空间碎片冲量耦合特性研究

开展了脉冲激光大光斑辐照空间碎片冲量耦合特性研究,即激光烧蚀光斑尺寸略小于碎片尺寸下的冲量耦合特性,对比实验研究了平面状碎片在激光大光斑辐照和小光斑辐照下的冲量耦合特性,以及大光斑辐照下光斑尺寸和形状因素对冲量耦合特性的影响规律,并结合实验研究结论验证了理论研究的合理性。研究结果表明:相同激光功率密度下小光斑辐照比大光斑辐照的冲量耦合系数高;大光斑辐照下冲量耦合系数主要受激光功率密度影响,光斑尺寸对冲量耦合系数的影响较小;采用大光斑辐照下冲量耦合系数的理论计算结果更接近于实验结果。上述实验研究成果对激光辐照不规则空间碎片理论研究具有一定的实验指导意义。     

高功率YAG激光作用于金属靶的力学响应

在本文中首先分析了激光和靶材相互作用过程中等离子体形成、靶表面压力产生和靶冲量传递,并应用一低能量高功率1.06μmYAG激光作用于不同靶材表面,采用摆偏技术测量了靶表面的位移,获得了不同条件下的靶冲量和冲量耦合系数.     

不同环境气压下激光靶冲量耦合系数的实验研究

针对激光对靶冲量传递问题,提出了悬摆法和光电测速法相结合的测量方法,进而在改变真空箱内的气压的条件下,就大气压强对激光推进耦合系数的影响进行了实验研究.采用单脉冲能量为210.24～218.7 mJ的Nd:YAG激光器,对真空箱内的挂有铝靶的冲击摆进行激光冲量耦合系数的测定.实验发现随着真空箱内气压的上升,冲量耦合系数逐渐增大,在环境气压从1.013 25×105Pa到5.932 5×104Pa范围,Pirri理论与实验结果一致.     

大气中激光烧蚀铝靶冲量耦合系数实验研究

研究了激光与铝靶相互作用过程中,大气中激光功率密度与铝靶获得的冲量耦合系数的关系,通过改变激光聚焦在靶面上的光斑大小,得到冲量耦合系数与激光功率密度的关系。实验结果表明,当入射激光功率密度为3.47×106W/cm2时,铝靶获得的冲量耦合系数最高。该入射激光功率密度最佳值与理论计算值6.14×106W/cm2符合得较好。用激光支持爆轰波(LSDW)与固体靶相互作用的二维模型理论计算得到的冲量耦合系数与实验结果比较,二者趋势相同,定量比较有较大差别,原因是所用激光光斑面积偏大,不能按照该理论的点爆炸模型来计算。     

强激光加载真空中铝靶冲量耦合的数值模拟

为了获得强激光加载真空中铝靶的冲量耦合系数,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量时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定标关系符合得较好。结果表明,在等离子体条件下,冲量耦合系数随着激光功率密度的增大而减小。     

空气中激光烧蚀铝靶冲量耦合系数实验(Ⅱ)

为了研究大气条件下,正焦移距离对冲量耦合系数的影响,采用能量为15.7(16%)J 的激光脉冲聚焦于铝靶前端,通过改变激光焦点距离靶面的位置,获得了冲量耦合系数与正焦移距离的对应关系。结果表明脉冲激光在与大气环境中的铝靶相互作用时,靶面通过能量转移获得的冲量耦合系数与激光焦点距离靶面的位置呈非单调性变化。焦移距离在从0~20 mm 之间变化时,获得的冲量耦合系数从4.4810-5 Ns/J 连续下降到1.6810-5Ns/J,随着焦移距离的进一步增大,冲量耦合系数在20~35 mm 间呈缓慢上升趋势,在35 mm 处升至2.2110-5 Ns/J 后转而下降,在45 mm 处降至1.9110-5Ns/J。文中采用大气中激光支持爆轰波与固体靶面相互作用的二维模型对上述物理过程进行理论计算,获得了与实验结果较为一致的结论。     

基于脉冲激光的铝靶碎片冲量耦合系数的研究进展

综述了冲量耦合系数的测量方法:冲击摆法、激光干涉法、激光结合冲击摆法、水平导轨测量方法、压力传感器法,介绍了冲量耦合系数的主要数值分析方法以及影响因素:激光波长、脉宽、重复频率、功率密度以及碎片材料特性等。在概括总结了激光烧蚀冲量耦合影响因素的基础上,总结了激光烧蚀冲量耦合系数测量实验装置需要改进的措施以及测量装置和激光发射器今后所需要研究的方向。     

激光微烧蚀掺碳PVC推进性能研究

激光微烧蚀靶材产生的力学性能是表征激光微推进性能的重要指标,相关研究一直是激光微推进领域内讨论的热点。掺碳是一种提高激光与靶材耦合性能的重要手段,能够一定程度上改善激光微推进性能,不同掺杂程度所获得的推进性能也不同。采用单脉冲输出功率较低的半导体激光器和功率较高的YAG激光器,分别测量了不同功率密度和能量注入情况下,微...     

纳秒激光烧蚀液态工质冲量耦合特性研究

激光微推进技术是利用激光与物质相互作用产生的力学效应实现推进的一种新的激光动力的电推进技术。液态工质是激光微推进工质选择的最新热点,其与激光相互作用所形成的冲量耦合特性决定了液态工质激光微推进性能的好坏。利用激光干涉差动测量微小冲量的扭摆装置,以聚叠氮缩水甘油醚(GAP)、单组元凝胶推进剂(单推-3)和甘油为工质,测量注入不同激光能量条件下,所形成的冲量和冲量耦合系数大小,进而针对冲量耦合性能较好的GAP 工质,测量了比冲和烧蚀效率。结果表明:液态GAP 冲量耦合特性较好,冲量耦合系数一般在500 uN/W 以上,最高可达1 493.0 uN/W,但是,比冲和烧蚀效率较低,比冲最高仅为140 s,烧蚀效率为37.6%。