单脉冲激光能量沉积对超声速钝头体波阻的影响

采用数值模拟和实验手段对单脉冲条件下的激光能量沉积减小超声速钝头体波阻进行了系统地研究。首先利用数值仿真的方法模拟了马赫5的超声速气流条件下,能量沉积对半球体阻力特性的影响,通过压力温度等值线及驻点参数的变化规律,分析了能量沉积减阻机理。研究结果表明由于能量的注入,钝头体前弓形激波发生变形,激波脱体距离增大,降低了钝头体表面的压力,从而减小了钝头体的波阻,在单脉冲作用时间内,波阻减小了13%。建立了超声速条件下单脉冲激光能量沉积减阻实验系统,利用高分辨率的纹影系统拍摄激光能量沉积产生的激波与弓形激波相互作用过程,实验结果与数值模拟结果基本吻合。     

单脉冲激光减小超声速飞行器波阻的实验研究

利用激光等离子体减小超声速飞行器的气动阻力是一种新概念减阻方式。根据单脉冲激光减小超声速飞行器波阻瞬态流场的特点,建立了超声速条件下单脉冲激光能量沉积减阻实验系统,利用高分辨率的纹影系统拍摄激光能量沉积产生的激波与弓形激波相互作用过程,分析了激光减小超声速飞行器波阻的机理,以实验手段验证了激光等离子体可以减小超声速飞行器波阻,为研究高重复频率激光减阻提供了实验测试方案。     

激光等离子体热核与激波相互作用的流动特性研究

激光等离子体热核与正激波相互作用是复杂激光减阻科学问题中最基本的物理现象。建立了基于激波管和激光能量沉积的实验平台，利用高精度纹影系统捕捉了激光等离子体热核在正激波冲击下的流动结构特性。实验结果表明:激光等离子体热核界面变形，弯曲并最终形成双涡环结构，展向尺寸迅速增大然后降低并逐渐稳定在7.7 mm左右，流向尺寸先降低然后在激波离开热核之后以114.3 m/s的速度线性增长，从微观层面进一步揭示了激光减阻机理，对等离子体主动流动控制的相关研究具有很好的借鉴参考价值。     

关键参数对激光等离子体热核与激波相互作用过程的影响规律

针对激光减阻中激光等离子体热核与正激波相互作用物理现象,运用高精度纹影测量技术研究分析了激光等离子体热核在正激波冲击下的流动结构特性,获得了激光能量与激波速度两个关键因素的影响规律。实验结果表明:在正激波的冲击下,热核宽度呈先上升然后稳定并有减小的趋势,入射激光能量越高,热核在激波冲击下的宽度越大;热核的长度在正激波冲击下迅速减小然后以固定的速度线性增长,增长速度约为入射激波速度的19%。研究结论可为实际应用中有效增强减阻效果和延长持续时间提供依据,相关方法和结果对激光等离子体主动流动控制研究也具有很好的参考价值。     

关键参数对空气中激光引致热核特性的影响规律研究

针对纳秒脉冲激光能量在空气中沉积的等离子体热核演化问题,利用两种不同分辨率的高速相机,搭建了高分辨率的纹影系统。所获得的纹影实验结果很好地展示了激光能量沉积初始时刻的演化过程,并研究了激光能量大小和透镜焦距这两个关键参数对激光引致等离子体热核演化过程的影响规律。实验结果表明激光沉积能量越大,等离子体热核的尺寸越大,但是可能存在激光能量沉积的饱和现象。另外,激光能量越高、透镜的焦距越短,激光能量沉积之后环境冷空气穿透热核的时间就越晚,意味着等离子体热核维持稳定的高温低密度气团的时间越长,这可以为激光致等离子体主动流动控制的相关研究提供充足的反应时间。     

激光减阻机理研究进展

激光等离子体减阻技术对于高超声速飞行器减阻隔热和提高飞行器性能具有重要意义。介绍了脉冲激光减阻研究的数值计算模型和实验研究方法;总结了激光等离子体减阻机理;讨论了入射激光能量、能量沉积位置和流场马赫数等关键参数对减阻性能的影响规律。针对目前研究现状,提出通过等离子体热核建立关键参数与激光减阻效果间联系的建议。     

在短脉冲激光作用下对物质进行烧蚀模拟

1　引言许多作者对激光辐射对靶的影响作用进行了数值模拟 [1～ 4] ,这些研究均使用了一维和二维模拟 ,在模拟中由于物理现象描述的复杂性都作了一些必要的简化。但对下述一些相互作用机理应当进行全面描述 ,比如激光能量的吸收 ;由于电子和辐射转移致使能量的再分布以及靶的固定烧蚀[3～ 7] ;烧蚀等离子体与周围气体之间的相互作用以及冲击波和低压波的最后形成 [3] ;能量吸收与靶的几何形状及激光脉冲偏振之间的关系效应 [8] ;非稳定性的形成和发展 [9] ;电磁场对飞散等离子体运动的影响[1 0 ] ;在相互作用的起始阶段的平衡化学过程和后来…     

超快激光微加工表面瞬态温度的黑体辐射法测量

采用单脉冲飞秒激光辐照单晶硅片和铜板，在材料表面产生烧蚀，并激发黑体辐射光谱。利用ICCD在纳秒尺度对激光诱导等离子体的辐射光谱进行测量，使用最小二乘法将采集光谱与普朗克曲线进行拟合，并用有限差分热扩散模型对温度变化曲线进行拟合，证明了黑体辐射法测量飞秒激光加工材料表面激光诱导等离子体温度的有效性。采用单脉冲激光（中心波长1030 nm，脉宽184 fs,1 mJ单脉冲能量）分别加工单晶硅片和铜板表面，测量了纳秒尺度时间分辨的激光诱导等离子体温度。对于单晶硅片和铜板，测量到以零时刻为中心的平均温度分别为231000 K和226000 K，衰减弛豫时间分别为4.41 ns和2.97 ns。     

高稳定度大能量三波长脉冲激光系统研究

设计了一套高稳定度大能量输出的三波长Nd:YAG激光系统,用作激光清洗光源.该系统包括振荡级、放大级及后续波长切换系统.为解决激光棒热致双折射效应造成的输出能量下降和输出不稳定,在输出镜和激光工作物质之间插入λ1/4波片,并对波片的补偿效果进行了研究.结果表明:插入波片后振荡级输出能量提高了10％,稳定度明显提高.重复频率为10 Hz时,1064 nm激光经放大后单脉冲能量可达700 mJ,其单次通过倍频晶体BBO,得到532 nm激光的单脉冲能量为325.6 mJ,四倍频后得到266 nm激光的单脉冲能量为84 mJ.1h内测得的三波长激光输出能量不稳定度均小于0.6％.     

脉冲YAG激光诱导放电击穿电压研究

为了研究激光诱导放电击穿的机理及在应用中减小击穿电压以降低加工风险,通过测得击穿电压随不同激光脉冲能量、极间距和工具电极（阴极）材料的关系,得出只有当单脉冲激光能量W≥0.15mJ,即激光在工件表面形成汽化的前提下才能有效放电击穿,并且当其它条件不变时,击穿电压U50随激光单脉冲能量的增大而减小。在电极材料为碳钢并保持不变的情况下,随着极间距的增大,U50升高,并随着单脉冲激光能量增大,U50升高的趋势渐缓。在其它条件不变下,改变工具电极材料（紫铜和石墨）,得出相对于石墨,使用紫铜时能有效地减小击穿电压。结果表明,增大激光单脉冲能量、减小极间距和使用逸出功小、低熔点的材料作为阴极时,能有效地减小击穿电压。     

纳秒激光等离子体减阻数值模拟

针对激光等离子体减阻技术机理,采用纳秒激光,数值模拟激光等离子体在流场中的演化过程,分析关键参数对纳秒激光等离子体减阻性能的影响。结果表明:纳秒激光能最大程度地提高激光等离子体减阻性能,阻力减小的百分比达99%,低阻力维持时间是入射激光持续时间的103倍;随着来流马赫数的增大,空气来流强度增强,导致减小阻力的百分比减小;随着激光能量的增加,激光引致的冲击波强度增大,使得减小阻力的百分比增加;随着激光聚焦击穿位置的增大,减小阻力的百分比减小,但低阻力维持的时间明显增加。     

激光能量注入位置对进气道马赫反射影响数值研究

超声速进气道存在双尖楔结构,在非设计工况下,可能出现马赫反射现象。利用激光能量注人流场产生等离子体,可以改变马赫反射结构,降低马赫杆高度,甚至使马赫反射完全转变为正规反射,达到减少总压损失的目的。基于这种方法,本文在等离子体区域形状和激光能量相同的情况下,计算了马赫数为3．45时,不同的激光能量注入位置对双尖楔简化模型形成的马赫反射结构的影响。计算结果和分析表明,适当增大激光能量注入位置与马赫杆的距离,并减小其与上游斜激波的距离,将有助于降低马赫杆高度,提高激光能量对马赫反射结构的控制效果。     

环形激光诱导冲击波的传播及其对层裂的影响

为了探索环形激光诱导冲击波的传播规律及其对层裂的影响,采用ABAQUS软件对环形激光光束冲击成形的过程进行了理论分析和模拟仿真。通过定义节点路径的方法,得到了环形激光光束诱导冲击波在板料中厚度方向的传播规律,指出了在一定条件下厚度方向应力波拉应力最大值的出现时间和位置,从应力波的角度探索了环形激光光束冲击成形下薄板层裂的规律。结果表明,其层裂易发生位置位于激光冲击区域内,而非像实心激光一样在板料中心。这一结果为激光冲击成形的研究提供了一条新的思路。     

光纤探针探测水下激光爆炸

针对小范围内水下激光爆炸所产生的等离子体冲击波检测问题，对单模石英光纤探针探测方法进行了初步实验研究。采用1064nm调Q激光脉冲聚焦蒸馏水产生冲击波，利用自制光纤探测器进行了检测。结果发现除探测到冲击波信号外，爆炸所产生的等离子体闪光信号也进入光纤，两者混合叠加。同时由于水下激光爆炸所产生的射流对周围固壁面的破坏作用，光纤探针在实际检测过程中不能过分靠近爆炸源，对300mJ激光能量，该光纤探针安全范围应大于0．6mm。     

微尺度下激光冲击对纯铜表面形貌的影响

为了研究微尺度下激光冲击过程中冲击波对强化表面塑性变形的影响,进行不同能量和冲击次数下激光微冲击纯铜试样处理,并对冲击试样进行表面形貌测量。结果表明,微尺度下,激光诱导的等离子体冲击波引起的轴向和径向压力同时对冲击表面作用。轴向压力在光斑中心区域附近起主导作用,冲击区域深度方向上塑性变形量随着激光能量和冲击次数的增加而增大;光斑边缘附近,主要受径向压力作用,随着激光能量的增加,径向塑性变形影响区域增大。当激光能量超过70 mJ 时,单点塑性变形边缘区域明显凸起;径向塑性变形随着冲击次数的增加先增大后减小,冲击次数高于3次时,光斑边缘附近明显凸起。