激光焊接过程中电磁场控制等离子体的研究

高功率CO₂激光焊接过程中,小孔上方的等离子体会影响激光和工件之间的耦合效率。从分析外加电磁场对等离子体的作用出发,探讨了采用外加电磁场控制激光等离子体的可能性。实验结果表明,选择合适的外加电磁场参数,可以降低等离子体对激光的屏蔽效果,增大熔深。     

激光焊接等离子体电流产生机理及电磁场对其作用研究

理论分析表明,深孔中的等离子体向外喷出时,电子和正离子具有不同的热运动速度,电子速度约为正离子速度的50倍,从而在激光喷嘴和工件间形成一电位差.将喷嘴和工件短路则可产生一等离子体电流,其大小约为10-1 mA量级.在该回路中串联一外加电源,等离子体电流随外加电源电压增大呈线性增大.加入一垂直于激光束方向的磁场,则带电粒子受一侧向电磁力作用而被加速运动离开激光束. 实验采用焊接过程中提升喷嘴的方法,加入辅助电磁场进行焊接可使深熔焊焊缝长度增加,表明驱除熔池上方等离子体后激光效率获得提高.随激磁电流(磁场强度)增大,深熔焊长度增大.随外加电压(电场强度)增大,深熔焊长度在25V外加电压时,达到最大值,过低和过高的外加电压都减小深熔焊长度的增加量.(OE10)     

激光深熔焊接技术的研究与动向

随着激光器光束质量的改善和输出功率的提高,激光深熔焊接技术在激光加工和焊接领域的份额逐渐增加。对近期国内外激光深熔焊接领域的主要成果进行了概括和总结,讨论了激光深熔焊接的特点和局限性,同时也对激光深熔焊接技术在大功率激光器的开发、激光深熔焊接过程的稳定性、等离子体控制、外加辅助电磁场、激光电弧复合焊接技术等方面的主要研究特点进行了分析和讨论。结合科技发展趋势和激光焊接技术的特点,对激光深熔焊接技术的研究重点进行了讨论和展望。     

激光焊接时等离子体电流的产生及外加电磁场的作用

本文从等离子体吸收能量的理论入手，采用提升喷嘴的实验方法，系统研究了电磁场参数对等离子体控制的影响。研究结果表明，随磁场强度的加大，对等离子体的作用加强。而外加电压变化时，则存在一个最佳电压值，P＝1800W，V＝1m/min时，外加电压为25V时对等离子体作用最强。另外研究表明磁场正极性对等离子体有较明显的作用。     

激光功率密度对自生磁场和电子热传导的影响

为了理解超强激光与等离子体相互作用中产生的自生磁场形成机制和电子热传导特性,采用相对论电磁粒子模拟程序,估算了不同激光功率密度下,在等离子体表面所形成的电磁不稳定性产生的自生磁场大小和空间分布,得到了超热电子和经典Spitzer-Harm理论描述的电子热流随激光功率密度的演化情形.结果表明,非Maxwell速度分布的等离子体,由于电子初始时刻的无规则热运动,在等离子体上激发电磁不稳定性,而不稳定性激发的强电磁场使电子束在非常短的距离内沉积能量,同时对在激光有质动力推开电子时形成的超热电子能量输运产生抑制作用.这一研究结果对更好理解惯性约束核聚变快点火过程中自生磁场的产生、电子热传导等方面有帮助的.     

激光等离子体和烧蚀对含能材料的激光点火过程的影响

通过测试激光点火的延迟时间、等离子体电荷通量和等离子体对激光的吸收能力，研究了激光等离子体和烧蚀对激光点火过程的影响。实验采用的含能材料为B／KNO3(m(B)：m(KNO3)=40：60)，外加5％的酚醛树脂，激光器为脉冲宽度为680μs的Nd：YAG固体激光器。实验结果表明等离子体密度随激光能量的提高而增大，而且激光等离子体的电荷通量大于燃烧流的电荷通量。当激光能量密度低于某一临界值时，点火延迟时间随激光能量密度的提高而线性变短，然而激光能量密度超过该临界值后，激光点火延迟时间保持恒定。在实验条件下，激光等离子体几乎不吸收入射的激光能量，但是点火延迟时间的变化规律表明了烧蚀会阻碍激光能量向含能材料注入。     

电波传播与天线

1110 电磁场、电磁理论、电磁环境0325243等离子体部分填充的波纹慢波结构中电磁波色散特性[刊]/杨梓强//强激光与粒子束.-2003,15(6).-583-586     

等离子体正负电荷的分离——光对等离子体的扰动

原子法是同位素U~(235)、U~(238)分离的有效手段之一。利用激光的选择性激发可使U~(235)电离而U~(238)保持中性,形成U~(235)的稀薄等离子状态(电子密度10~8～10~(12)cm~(-3))。正负电荷的分离有两种基本方法,其一为磁场法,但U~(235)、U~(238)的能级差限制了外加磁场的大小(<300Gauss)。因此一般采用电场法。由于等离子体存在Debye屏壁效应,故而分离的第一步要破坏等离子体的稳定性。本文目的在于利用外界电磁场对等离子体进行扰动来研究其稳定性。     

电磁波在均匀磁化等离子体中的衰减与反射

等离子体覆盖住金属导体,通过等离子体对入射电磁波的折射、吸收,使得入射波功率衰减,降低了反射功率,起到减小目标RCS的作用.对于均匀磁化等离子体,针对介电常数与等离子体粒子密度、外加磁场强度、电子碰撞频率以及入射波频率的关系,仿真计算了不同的等离子体粒子密度、外加磁场强度、电子碰撞频率以及不同等离子体厚度在毫米波波段对电磁波的衰减和反射特性的影响.     

阻抗球涂覆均匀等离子体电磁散射的解析解

均匀无源各向异性等离子体介质中的电磁场是第一、第二类各向异性等离子体球矢量波函数的线性叠加,在阻抗球表面满足阻抗边界条件、等离子体与自由空间表面满足电磁场切向连续的边界条件,可得出各向异性等离子体涂覆阻抗球在平面波入射情况下,均匀等离子体介质中电磁场用各向异性等离子体球矢量波函数表示的系数满足的矩阵方程,进而得出散射场由球矢量波函数展开的展开系数和雷达散射截面.数值计算的结果表明:当阻抗球的半径趋于0时,其结果和均匀各向异性等离子体球对平面波的电磁散射结果相同.最后还给出了一些数值计算的结果.     

Time-dependent EM field characterization in pulsed lasers

The development of the EM field in pulsed solid-state lasers is analyzed with a two-dimensional fast-Fourier transform computational model. The model is designed to enable on-line characterization of the EM field starting from a randomly generated initial spontaneous field. The temporal variation of the laser beam quality together with the power spiking behavior is studied, showing sharp brightness peaks at the beginning of the free generated laser pulse. The instantaneous beam pattern is followed throughout the laser pulse duration. Some important characteristics of the formation of resonator modes are given and the influence of the mode competition on the formation of typical patterns in the integrated beam is analyzed. Intensity pattern oscillations which can be attributed to the previously observed vortex formation were clearly detected, showing well-defined oscillation frequencies of the local EM field, unrelated to transverse intermode beat frequencies. Experiments were carried out on an Er:YAG laser confirming the beam pattern formation and showing good agreement with the computational model     

特征值法模拟计算具有流动饱和增益介质激光器的光场(英文)

提出一种特征值方法用于计算具有流动饱和增益介质的气体激光器的光场分布情况.计算模型中,流动饱和增益介质等效为一个位于激光谐振腔内的大腔镜前面的薄增益片.基于这个模型,可以获得特征值法的传输矩阵.通过求解传输矩阵的特征值与特征向量,能够较容易地获得激光器谐振腔中所有可能存在的光场分布情况,通过比较它们的损耗参数能够获得激光器实际存在的光场分布.模拟计算结果显示:流动饱和增益介质对光场分布具有负面影响,它将导致光场分布沿着气体流动的方向倾斜.该方法的模拟计算结果能够与其它方法的模拟计算结果较好地吻合.     

Electromagnetic Reflection from Conductive Plate Coated with Nonuniform Plasma

Based on the theories of electromagnetic (EM) field and generalized reflection coefficient, a simple method is put forward to deal with the EM reflection coefficient of conductive plate coated with nonuniform plasma. The plasma slab is modeled by a series of subslabs, in which the electron-number density is assumed to be constant. The overall number density profile across the whole slab follows any practical distribution function. The reflection coefficient is then deduced and its functional dependence on the number density, incident wave frequency, collision frequency, and background magnetic field is discussed.     

高功率激光装置电磁环境研究进展

激光惯性约束聚变研究中,高功率激光器靶室中强激光-靶物质作用产生的高能电子的运动、X射线与周围物质作用产生的置换电流将激励出强电磁脉冲,场强幅值高达几万V/m,频率达GHz量级,能库等工作区域大电流、大电压的快速变化过程也将辐射电磁场,这些电磁脉冲对电子设备将产生各种电磁耦合效应,影响控制时序、测量数据的准确性,严重的甚至使仪器设备毁坏,这种电磁脉冲对生物组织具有损伤效应。本文详细介绍了国内外高功率激光装置电磁环境的理论与实验研究进展情况。     

Multipolar laminated electromagnet for low-field magnetic resonanceimaging and electron paramagnetic resonance imaging

A cylindrical 16-pole electromagnet (EM) for electron paramagnetic resonance imaging (EPRI) and low-field magnetic resonance imaging (MRI) has been designed by means of two-dimensional and three-dimensional (3-D) finite element analysis (FEA). The use of an automatic procedure that combines FEA with a minimization routine allowed the optimization of the design, in order to improve the homogeneity along the axis of the EM. A prototype has been built by using electrical steel sheets that were cut by laser; this solution reduced significantly the manufacturing cost. The EM operates with a maximum flux density, in the bore, of 0.08 T and has a homogeneity along the axis of about 40 parts per million (ppm) in a spherical region 10 cm in diameter. It generates the main field and two of the three field gradients required in the 3-D image reconstruction. Good agreement was found between the results of simulation and the measured values     

真空环境下脉冲激光烧蚀等离子体羽流特性分析

激光清除空间碎片利用的是高能脉冲激光烧蚀固体靶材的冲量耦合效应,对于空间碎片来说,激光辐照下的反冲冲量取决于碎片等离子体羽流的喷射过程,并且会随着激光辐照方向的变化而变化。因此,有必要研究空间碎片激光辐照下的等离子体羽流特性。针对等离子体羽流的流场超高速、瞬态、强自发光背景、小尺度的技术难点,采用纳秒级曝光、多幅照片精确拼接技术,采用高速相机和激光器同步时序控制技术,实现纳秒级时间分辨率、亚微米级空间分辨率的流场演化信息定量测量,实验获得典型碎片材料等离子体羽流演化特性,以及不同激光入射角度下的等离子体羽流演化过程,实验结果可揭示反喷冲量形成规律。     

Development of EM field in lasers with rotating mirrorQ-switch

A fast-Fourier-transform (FFT) computational scheme based on a Fourier expansion technique is developed to calculate the development of an electromagnetic (EM) field from spontaneous noise inside a loaded rotating mirror Q-switched laser. A rate equations analysis is also carried out, using the FFT-calculated dependence of the diffraction loss on the fixed Q-switch mirror tilt angle. The computational results are compared with the output characteristics of an eye-safe (λ=1.54 μm) erbium glass laser. The experiments are in good qualitative and quantitative agreement with the predictions of the FFT mode. The model reveals short-duration intense spatial regions, as well as two types of temporal modulations of the laser output pulses. These modulations are attributed to the inhomogeneous development of the laser field in the longitudinal and transverse laser resonator direction. These irregularities must be taken into account when calculating eye-safety levels of rotating mirror Q-switched lasers     

强激光驱动的运动电场加速质子的研究

为了研究激光辐射压驱动的运动电场中加速质子的相关问题,对强激光与等离子体相互作用过程进行了理论分析,并采用2维粒子模拟方法,对理论分析结果进行了数值模拟验证。结果表明,当超短超强激光脉冲与处在背景等离子体前方的薄固体平靶相互作用时,在固体靶后部形成一个由电子层-离子层组成的双层结构,在激光辐射压的不断推进下,双层结构在背景等离子体里以一定速度传播形成一个运动电场;在背景等离子体中的质子被这个运动电场捕获并能加速到很高的能量,质子的最大能量达到20GeV。理论分析结果与2维粒子模拟结果符合得很好。     

不均匀磁等离子体的隐身机理——圆极化电磁波的碰撞吸收

研究了圆极化电磁波在不均匀磁等离子体的传播和吸收。讨论了不均匀磁化等离子体片对平行于磁场方向传播的左、右旋圆极化电磁波的碰撞吸收，计算了不同条件下衰减率。计算表明，当电磁波的频率接近电子碰撞频率时，磁等离子体对电磁波的吸收达到最大值。当入射电磁波的频率很低时，不均匀磁化等离子体中磁撞对雷达波的吸收非常小。当入射电磁波频率较高时，等离子体的碰撞对入射电磁波的衰减很有效。