半导体激光烧蚀柔性基底含能工质特性研究

为解决激光烧蚀推力器在微纳卫星推进中的应用问题,本文旨在研究半导体激光对柔性基底含能工质带的烧蚀特性。针对不同工质层厚度的工质带,通过调节优化半导体激光器电流和脉宽等参数开展了激光烧蚀实验,研究了柔性基底含能工质的单脉冲冲量、比冲、冲量耦合系数和烧蚀效率等烧蚀冲量耦合特性,分析了激光器参数和工质层厚度对烧蚀冲量耦合特性的影响,得到了实现更高比冲的烧蚀工作条件。实验结果表明,在相同的激光器电流条件下,冲量随激光器脉宽的增大而增大,比冲随脉宽的增大而减小。在相同的激光器工作条件下,随着工质层厚度增大,工质带烧蚀的比冲增大,340μm厚工质带获得最大比冲在350 s以上,冲量耦合系数达到220μN/W以上。     

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%。     

激光脉宽和功率密度对烧蚀性能影响研究

微纳卫星的飞速发展对微推力器的性能提出了更高的的要求。激光推进微推力器因其比冲高、推力控制精确、能耗低等特点,为微纳卫星提供了一种性能优异的微推力器选择方案。文中在透射式烧蚀模式下,研究了半导体激光器的激光功率密度和脉宽对激光烧蚀性能的影响。结果表明,在工质厚度为200 μm的工况下,随着激光功率密度的增加,单脉冲冲量和比冲都逐渐增大,而冲量耦合系数和烧蚀效率都存在一个最优值。随着激光脉宽的增加,单脉冲冲量逐渐增加,比冲呈现出先增大后减小的趋势,在250 μs时,比冲达到最大值,约为221.8 s;冲量耦合系数和烧蚀效率都随着脉宽的增大而减小;脉宽超过一定的临界值时,会对激光烧蚀工质的靶坑产生不良影响,使得激光能量和工质严重浪费。激光参数的优化对于激光推进微推力器的工程化应用提供了参考。     

纳秒脉宽激光烧蚀典型金属推进性能实验研究

为研究不同金属材料的激光烧蚀推进性能,对常见的七种金属材料:Al,Fe,Ni,Cu,Y,Ag,Au,使用波长1064 nm,脉宽8ns的Nd:YAG激光器在大气下进行烧蚀,测量了烧蚀质量、冲量、冲量耦合系数、比冲和能量转化效率等推进性能参数,获得了激光功率密度对推进性能的影响规律.实验结果表明:相同激光功率密度下,Fe的烧蚀质量最大,Y的烧蚀质量最小;A1,Au,Cu的冲量较大,Ag的冲量最小;Au的冲量耦合系数和比冲均值在七种金属材料中最大,分别在激光功率密度为1.72×1010 W/cm2和2.98×1010 W/cm2时达到40.7 μN/W和500 s的最大值,平均能量转化效率可达6％.     

基于热力循环的激光微推力发动机特性研究

以微小卫星姿轨控为任务的激光微推力器是近些年激光推进技术应用研究的热点。在激光微推力发动机热力循环分析的基础上,研究影响激光微推进热力循环效率的因素,提出了通过改变激光功率密度和靶材掺杂特性来同时提高比冲和冲量耦合系数的方法,实验验证了激光功率密度和靶材掺杂对发动机性能影响的规律。结果表明,激光与靶材的特性共同决定了热力循环效率的高低,激光功率密度的提高能够增加产生激波波后的压力,一定程度上提高比冲,却会使冲量耦合系数下降;掺杂能够增强靶材对激光能量的吸收,使比冲和冲量耦合系数都提高,而两者都能够一定程度上提高激光微推力发动机的热力循环效率。     

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...     

激光烧蚀微推力器聚合物靶材的烧蚀特性

以聚叠氮缩水甘油醚(GAP)作为烧蚀靶材,以纳米碳粉和红外染料作为掺杂剂,采用微尺度羽流观测系统对GAP靶材的喷射羽流图像进行了观测,分析了掺杂浓度、靶材厚度及激光烧蚀模式对GAP烧蚀特性和推进性能的影响。结果表明,在激光烧蚀过程中,未掺杂吸收剂的GAP靶材利用率非常低;掺杂纳米碳粉后,靶材的推进性能显著增强,但对靶材厚度的依赖性较强,厚度较薄的掺杂纳米碳粉的GAP适合作为透射式激光烧蚀微推力器的靶材;掺杂红外染料后,聚合物的气化程度显著提高,透射式下厚度对羽流喷射的影响较小。红外染料适合作为反射式激光烧蚀微推力器聚合物靶材的掺杂剂。     

激光脉冲波形对推力器性能的影响

激光推力器性能优化是激光推力器研究的重要组成部分。受硬件条件的限制,激光推进领域激光脉冲时间波形对推力器性能影响的研究并未广泛展开。以两台CO2激光器的实际脉冲波形为基准,建立了两组激光能量输入模型,其波形时间分布相似,单脉冲能量相同,但脉冲持续时间及峰值功率不同。数值计算比较了不同脉冲波形下抛物型激光推力器的性能,结果表明:峰值功率和脉冲持续时间是影响推力器性能的重要参数,高功率短持续时间的脉冲波形更有利于提高冲量耦合系数和推力;两种实际脉冲波形的冲量耦合系数数值计算结果分别为40.9×10-5N.s/J,30.0×10-5N.s/J,与文献报道实验测量结果基本吻合。为激光推进CO2激光器的脉冲波形设计提供支持及研究思路,具有一定参考价值。     

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.     

激光与聚合物的相互作用及其应用

激光与聚合物相互作用研究是当今国内外研究的热点.综述了激光与聚合物相互作用在激光加工、液晶光学器件激光束控制、微激光等离子体推进器等方面的应用.介绍了激光与聚合物相互作用的基本原理,总结了激光烧蚀聚合物的理论模型,包括光化学模型、光热模型、稳态模型、羽饰屏蔽模型以及光热—光化学模型.总结了关于烧蚀率、烧蚀阈值和聚合物激光烧蚀分解机理的实验研究.提出了激光与聚合物相互作用可能的研究和新的应用方向.     

聚光系统构形对激光推力器推进性能的影响

在喷管与聚光系统一体化设计时,聚光系统因其同时承担聚光和喷管两项功能而成为激光推力器的重要组成部分。通过改变聚光系统内表面的母线方程,可以改变点火区的大小、形状、点火区与聚光系统内表面的距离及喷管长度等参数,而这些参数都会对激光推力器的推进性能产生影响。针对不同的聚光系统构形建立了相应的点火模型,数值计算与实验结果一致,即当注入能量不超过60 J时,在喷管出口直径相同的条件下,抛物形喷管点聚焦方式比环聚焦方式所获得的冲量耦合系数大,可达38.84×10-5N.s/J;而冲量耦合系数对点火区与聚光系统内表面的距离及喷管长度等参数并不十分敏感。研究结果对于吸气式激光推力器的喷管构形设计具有指导意义。     

环聚焦推进器聚焦点位置对激光推进性能的影响

针对进气口开放的环聚焦推进器,通过改变聚焦点的位置,数值模拟研究了推进器的推力、冲量耦合系数以及推进器整流罩承受的热冲击等问题。模拟结论表明聚焦点位置变化对激光推进性能有较大的影响,当聚焦点远离整流罩时,推进器获得推力的时间提前,冲量耦合系数增大,并且整流罩承受的热冲击降低。同时,模拟还表明在推进器构型设计中应该加大整流罩倾斜段的长度和倾斜角度,以限制逆流而上的冲击波冲出进气口,给推进器带来额外的阻力。     

Nd:YAP激光照射犬胃生物效应的实验研究

目的 :研究Nd :YAP激光不同功率、照射时间对胃的生物效应的影响。方法 :以犬作为实验对象 ,以不同功率、不同照射时间照射胃 ,以肉眼、光镜、电镜观察不同激光参数的生物学作用。结果 :Nd :YAP激光作用于胃 ,以热凝固效应为主 ,并有一定的消融作用。病理见全层凝固变性剂量 10W、5秒 ,2 0W、4秒 ,30W、2秒 ,4 0W～ 6 0W、1秒 ;结论 :Nd :YAP激光作用于胃组织 ,以 10W、5秒 ,2 0W、4秒 ,30W、2秒以下的剂量较安全 ,可减少穿孔的机率。Nd :YAP激光的组织表面消融、热凝固作用与平均功率、照射时间成正相关     

Nd:YAP激光照射膀胱生物效应的实验研究

目的 :研究Nd :YAP激光不同功率、照射时间对膀胱的生物效应。方法 :我们以犬作为实验对象 ,以不同功率、不同照射时间照射膀胱 ,以肉眼、光镜、电镜观察不同激光参数的生物学作用。结果 :Nd :YAP激光作用于膀胱 ,以热凝固效应为主 ,也有一定的消融作用。病理见全层击穿剂量 10W、6秒 ,2 0W、4秒。 30W、3秒。 4 0W、2秒。 5 0W及 6 0W、1秒。结论 :Nd :YAP激光作用于膀胱组织 ,以热凝固效应为主 ,也有一定的消融作用 ,功率 10W、时间小于 6秒 ;功率 2 0W时间小于 4秒功率 ;30W时间小于 3秒 ;功率 4 0W时间小于 2秒较安全 ,引起穿孔机率可减少。Nd :YAP激光的组织消融、热凝固作用与平均功率、照射时间成正相关。     

高聚物生物芯片材料激光加工性能分析

用准分子激光对高聚物材料进行微加工制作,可以获得比较理想的高聚物基生物芯片。根据对制作生物芯片材料的性能要求,比较了聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚碳酸酯(PC)对不同波长激光的光波透过率,测量了高聚物材料经准分子激光加工后的微结构,并得出准分子激光对不同材料的刻蚀速率与入射激光能量密度之间的关系。结果表明,PMMA和PC都能够完全吸收KrF准分子激光能量,可以用准分子激光在表面进行微加工制作生物芯片;用PMMA制作出的生物芯片,在使用时对检测结果的质量影响比PC小;对于相同的入射激光能量密度,准分子激光对PMMA的刻蚀率比PC高;由于与准分子激光之间的反应机理不同,PMMA更容易被加工,但是加工后的微结构质量较PC差。     

Nd:YAP激光照射皮肤生物效应的实验研究

目的 :研究Nd :YAP激光不同功率、照射时间对皮肤的生物效应。方法 :我们以犬作为实验对象 ,以不同功率、不同照射时间照射皮肤 ,以肉眼、光镜、电镜观察不同激光参数的生物学作用。结果 :Nd :YAP激光作用于皮肤 ,以热凝固效应为主 ,也有一定的消融作用。病理见凝固达真皮深层 ,剂量 5W、4秒 ;1 0W、1秒 ;全层击穿剂量 5W、6秒 ,1 0W、4秒。结论 :Nd :YAP激光作用于皮肤组织 ,以热凝固效应为主 ,也有一定的消融作用 ,功率 5W、时间小于 4秒 ;功率 1 0W时间小于 1秒较安全 ,引起疤痕机率可减少。Nd :YAP激光的组织表面消融、热凝固作用与平均功率、照射时间成正相关