激光烧蚀平面碳靶的等离子体形态演化

激光等离子体推进是未来航空航天领域极具应用前景的前沿技术之一,而激光等离子体的形态演化成为激光等离子体冲击波推进的必要条件。本文基于激光等离子体形成的基本理论,模拟了激光碳等离子体的形态参数。之后利用波长为1.064μm、脉宽约10 ns的Nd∶YAG激光器等设备研究了不同激光功率密度下碳等离子体的形态参数,测量数据证实了理论结果。此外,由彩色数字摄像机拍摄的图像表明,当激光器的工作电压从700 V上升到1100 V时,观察到激光碳等离子体从发育不全到充分发育,再到发育过度的演化过程。因此,激光碳等离子体充分发育的条件是：激光器的工作电压调节到850 V,平均输出能量达157.1mJ,功率密度为4.45×10⁹ W/cm²。因等离子体的发育程度关系到激光等离子体冲击波的传播及作用,其研究成为激光等离子体冲击波推进的重要环节。     

碟片式激光烧蚀微推力器靶盘利用率优化

碟片式激光烧蚀推力器的总冲与靶盘上烧蚀点数量线性相关,提高靶盘利用率有利于在有限的靶面上得到更多的烧蚀点。为了优化靶盘利用率,文中首先对激光烧蚀微推力器进行了结构设计和分析,对靶盘上的烧蚀点分布问题进行了理论建模,提出了串珠法和套圈法两种分析方法,分别设计了圆圈路径、螺旋路径和六角密排三种实际烧蚀点分布方式。通过计算,分析比较了三种分布方式下,靶盘尺寸和烧蚀点尺寸对靶盘利用率的影响规律。结果表明,六角密排的靶盘利用率理论最高可达90.64%,圆圈路径和螺旋路径的靶盘利用率理论最高可达78.54%;靶盘利用率受到靶盘尺寸和烧蚀点尺寸的影响,靶盘尺寸较小时,圆圈路径的靶盘利用率相对较大,靶盘尺寸较大时,六角密排的靶盘利用率较大;三种分布方式各有特点,在应用上各有侧重。该研究为充分利用碟片式激光烧蚀推力器的靶盘提供了理论指导和设计参考,对推力器的工程化设计有一定借鉴意义。     

多脉冲飞秒激光烧蚀铝靶动态特性研究

利用时间分辨阴影图研究了脉冲能量在200微焦的多脉冲飞 秒激光烧蚀铝靶的动态过程、并使用 扫描电镜研究了靶材表面烧蚀区域的形貌特征。时间分辨阴影图的记录结果表明,在不同时 间延迟条件 下,飞秒激光烧蚀铝靶形成的冲击波体积和喷射物的空间分布均随着脉冲个数的增加而发生 不同程度的变 化,尤其是单脉冲烧蚀情况下在1ns延时阴影图中观察到的近同心圆条纹会随着脉冲数目增 加逐渐变得模 糊乃至消失。烧蚀区的电子扫描显微镜图像清楚地揭示出烧蚀过程中伴随有液态铝的产生, 其溅射凝固后 在靶材表面形成小球和细丝状微纳结构。实验结果进一步证实了由前序脉冲烧蚀导致的铝靶 表面结构的改 变会对后继脉冲的烧蚀产生显著影响,从而使多脉冲烧蚀表现出明显不同于单脉冲烧蚀的特 性。这些结果 对飞秒激光脉冲沉积薄膜、直写生成表面微结构等应用的工艺参数优化具有很好的指导意义 。     

激光等离子体中的靶电压测量

观测并分析了不同功率密度下,由于激光等离子体的空间电荷分离效应而产生的靶电压。100微微秒的1.06微米激光垂直入射到平面铝靶上,功率密度在2×10~(14)～8×10~(14)瓦/厘米~2范围内,测得几千伏的靶电压,持续时间等于或小于毫微秒量级。     

超短脉冲激光烧蚀半导体表面的热效应分析

为了研究超短激光辐照下半导体表面的热效应,采用有限差分法对双温方程进行了数值模拟,研究了飞秒、皮秒激光作用下,半导体表面载流子和晶格的温度分布情况.结果表明,载流子与晶格的温度耦合时间和金属耦合时间大致相同,激光功率密度是影响载流子温升的主要因素,超短脉冲激光入射时能量主要被半导体表层载流子吸收,所得结论与实验结果较吻合.     

紫外激光烧蚀金属Al靶诱导等离子体的发射光谱研究

通过测定紫外激光烧蚀Ａｌ靶诱导等离子体的发射光谱，研究了激光烧蚀Ａｌ靶的溅射过程和烧蚀环境气体对发射光谱强度的影响，提出电子碰撞激发模型，定性解释了烧蚀环境气体对等离子体发射光谱的增强效应。     

纳秒脉冲激光烧蚀铝靶引起的冲击波特性研究

当材料受到强脉冲激光辐照时, 由于能量沉积, 靶表面物质将气化形成靶蒸气或等离子。介绍了时间分辨阴影照相技术, 并利用该技术记录了脉冲激光与铝合金靶材相互作用后, 等离子体冲击波传播的瞬态物理过程, 分析了不同激光功率密度辐照下, 等离子体冲击波传播特性, 并利用冲击波Hugoniot关系得到了等离子冲击波状态随时间演化的规律。     

气流环境中激光烧蚀铝靶的数值模拟研究

建立了切向气流环境中连续激光烧蚀金属靶的二维轴对称物理模型,利用有限元软件ANSYS中的参数化设计语言APDL编制程序进行数值求解,使用“杀死”单元的方法实现靶目标边界退移的烧蚀和热传导耦合计算,从而对烧蚀尺寸的变化给出了定量描述。计算结果表明,相比于均匀分布,当激光呈高斯分布时,目标靶中心能够得到更高的温升,也就更容易发生烧蚀,靶的熔穿时间也就越短。本文建立的模型可以方便地推广至三维情形。     

激光烧蚀Al靶诱导的环境气体电离轴向分布

用Nd:YAG脉冲激光烧蚀Al靶获得等离子体,脉冲能量固定在145mJ/pulse。用Ar作环境气体,压强固定在10kPa。利用时空分辨技术,采集了垂直于靶面方向上,即等离子体轴向,离靶面0．1mm,0.5mm,1.0mm,1.5mm,2.0mm位置处等离子发光光谱。基于各点Ar^2 辐射时间分布,详细分析了Ar^ 辐射轴向分布规律,并对这种分布机制进行了简单的讨论。     

脉冲激光烧蚀铝合金靶的实验研究与数值模拟

通过实验测量与数值模拟的紧密结合,研究了毫秒级脉冲激光对铝合金板的烧蚀效应。实验研究方面,测量了1053 nm固体脉冲激光辐照下,铝合金单板的烧蚀过程及温升规律。数值模拟方面,采用完全喷射烧蚀模型,建立了金属靶温度变化及烧蚀的数值模型。数值模拟结果与实验结果相符较好,表明所建立的二维轴对称烧蚀模型可以近似描述实验中的烧蚀效应。本文建立的数值模型亦可推广至三维情形。     

RB-SiC表面飞秒激光烧蚀与抛光工艺研究

首先基于一维双温模型阐明了飞秒激光与RB-SiC表面的相互作用过程,并在此基础上,开展了RB-SiC表面飞秒激光烧蚀规律与抛光工艺研究。结果表明,通过改变脉冲能量、扫描速度、扫描间距等参数,可实现对烧蚀深度和烧蚀表面质量的有效调控。但是通过飞秒激光抛光难以在RB-SiC切割表面上获得较高的表面质量,而对于RBSiC预抛光表面,通过工艺参数调控,可将其表面粗糙度从36.9 nm抛光至11.56 nm,验证了飞秒激光抛光RB-SiC的可行性。     

激光烧蚀溅射Al靶产生的Al离子的空间角分布

分别测定了紫外激光烧蚀Ａｌ表面溅射Ａｌ正离子的总离子空间角分布和离子平动能分辨的离子空间角分布。对紫外激光烧蚀Ａｌ表面溅射产生的两组具有不同最可几率平动能离子，平动能较大的离子为垂直靶面前向散射，平动能较小的离子为余弦分布。本文还讨论了产生两种不同角分布的机理。     

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。     

Nd:YAG纳秒脉冲激光水下烧蚀锗靶研究

激光在液体中烧蚀靶材不仅能改变靶材表面形貌,还能在溶液中制备出微纳材料。作为一种“绿色”、低成本以及方便操作的材料制备方法受到许多学者的关注。利用Nd:YAG纳秒脉冲激光在水下烧蚀锗靶制备微米级和亚微米级锗颗粒。通过紫外-可见吸收光谱、X射线衍射谱（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）,研究了锗颗粒产物的特性。接着,具体研究了锗靶在激光烧蚀后的凹坑形貌和烧蚀质量。发现烧蚀质量随着激光脉冲次数的增加而增加,但增加的比例却在下降,即烧蚀效率在降低。最后,分析了烧蚀效率降低的原因,为提高液相激光烧蚀法制备材料的效率提供理论参考和可行方案。     

提高抗激光烧蚀能力的表面尖形微结构器件

讨论了光刻热熔成形工艺灰度掩模技术结合离子束蚀刻制作面阵尖形微结构器件的问题,分析了几种凸尖及凹尖结构抗烧蚀的能力强于平面端面同质器件的原因,所作的若干分析结果可用于这类器件的实际制作的应用。     

飞秒激光在宽带隙陶瓷表面的烧蚀特性

采用飞秒激光微加工系统对宽带隙陶瓷材料SiC和Al2O3诱导微结构时的去除机理及烧蚀特性进行了研究。应用扫描电子显微镜、粗糙度轮廓仪、光学显微镜和能量色散谱仪等对烧蚀的微观形貌和化学组成进行了评价,得出加工SiC时强烧蚀和轻烧蚀的破坏阈值分别为0.61 J/cm2和0.13 J/cm2。同时获得了加工参数与烧蚀形貌之间的关系,发现材料的去除机理强烈依赖于入射激光的脉冲能量,并对二者的关联机制进行了分析。探讨了表面粗糙度和掺杂在材料中的不同元素对烧蚀结果的影响。从而为在难加工类宽带隙陶瓷材料表面加工高质量的微结构提供了有力的理论依据和技术支持。     

气压对激光烧蚀Al靶诱导保护气电离的影响

用Nd：YAG脉冲激光烧蚀Al靶获得等离子体，脉冲能量固定在145mJ／pulse。用Ar气作保护气，利用时空分辨技术，采集了100Pa、lkPa、10kPa和100kPa气压下等离子体辐射的时空分辨谱。筒要描述了各气压下等离子体的辐射特征，详细分析了各气压下Ar的特征辐射规律。根据这些气压下Ar特征谱线的分布特征，简要论述了Ar气电离与气压的关系；用量子理论对此给予全面解释。进一步讨论了环境气体电离机制，认为环境气体对等离子体的连续辐射吸收是诱导环境气体电离的主要机制。     

激光冲击炭纤维靶的高温实时测量

本文报导使用ＣＣＤ光学多道分析器对脉冲激光冲击炭素纤维产生高温进行的实时测量，使用ＣＣＤ光学多道分析系统采集Ｅ（λ，Ｔ）谱，用双色法解得所测量的温度，并对实验结果和应用前景进行了讨论。     

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。