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。     

湍流作用下地基激光清除空间碎片的影响规律

在大气湍流作用下的基础上建立了地基激光辐照小尺度空间碎片在大气中的传输模型。利用该模型对高能脉冲激光远场激光参数与天顶角的关系作了仿真分析,论述了不同束散角下大气湍流对远场激光参数的影响规律;在此基础上,建立了高能脉冲激光在靶表面的冲量耦合模型,对铝靶在激光辐照下的冲量耦合系数与天顶角的关系进行了模拟分析,并讨论了受大气湍流影响的冲量耦合系数变化量与激光脉宽的关系。     

地基激光辐照近地轨道小尺度空间碎片作用规律研究

通过研究脉冲激光与铝靶碎片的膨胀运动以及冲量耦合的相互作用,仿真分析了铝靶碎片在等离子体作用下的速度和压力时空分布规律以及冲量耦合系数与激光功率密度之间的定量关系;在此基础上,建立了基于地基的脉冲激光辐照近地轨道小尺度空间碎片动力学变轨仿真模型,模拟研究了近地轨道小尺度空间碎片移除过程中轨道偏心率与近地点高度随激光脉冲数目变化的影响规律。结果表明:在最优冲量耦合系数作用下,当脉冲数目达到180次轨道偏心率为0.071时,基于此文的条件可实现近地轨道小尺度空间碎片的有效移除。预期成果可为高能激光移除近地空间碎片技术的应用提供技术指导。     

脉冲能量对激光推进中冲量耦合系数的影响

实验通过采用最大输出脉冲能量为100J的TEACO2激光器,研究了从13~80J的激光脉冲能量对大气呼吸模式激光推进冲量耦合系数的影响。结果表明当脉冲能量在80~24J变化时,冲量耦合系数没有明显变化,当脉冲能量下降至22J以下时,冲量耦合系数下降52%。对这一特性进行了初步的理论分析,并通过改变实验环境气体压强,对这一理论进行了验证。     

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.     

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.     

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。     

高能脉冲CO2激光器与靶在空气中的相互作用

报导了在空气中各种靶材与高能CO2激光辐射的相互作用的观察结果。用高速扫描和成帧照相机及静电探测器观察了在碳和铝靶上产生的等离子体。对于0.2~0.3厘米的焦点半径,维持辐射所产生的吸收波的阈值约为4×10⁷瓦/厘米2。传递到各种大小和材料的靶上的总冲量与激光脉冲的功率和总能量同时测得。将冲量数据与简单的圆柱形冲击波摸型联系起来,它预示冲量随靶面积和焦点面积的平方根增加。     

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。     

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.     

TEA CO2激光推进耦合系数的实验研究

报道了采用高重复频率TEA CO2激光器在不同气压下对冲击摆进行大气模式激光推进耦合系数测试的实验.结果发现,在气压为34.6×103 Pa左右可获得最大的冲量耦合系数.这与在不同气压下采用冲击摆进行固体靶激光推进实验中,在34.6×103 Pa左右存在最大的冲量耦合系数相似.从激光等离子体冲击波的角度对这一现象进行了初步的分析和解释.     

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。     

大气模式激光推进耦合系数的实验研究

为了研究大气压强对激光推进耦合系数的影响,设计了一座真空仓,利用真空泵系统控制仓内气压从4.6×103Pa到101.3×103Pa之间变化。采用单脉冲能量为20J的TEACO2激光器,对挂有光船模型的冲击摆进行大气模式激光推进耦合系数的测定。实验发现随着真空仓内气压的上升,冲量耦合系数逐渐增大,当气压值达到34.6×103Pa左右时,冲量耦合系数达到最大,随后伴同气压值的增加冲量耦合系数逐步下降。当入射激光单脉冲能量为10J时,冲量耦合系数的峰值处的气压值略有降低。从激光等离子体冲击波的角度对这一现象进行了初步的分析和解释,预测了能量对冲量耦合系数的峰值影响。     

强激光作用靶材冲量的测量方法

本文主要是对激光作用靶材的冲量进行了研究。提出了两种测量方法,研制了相应的测量仪器。对激光在大气条件下作用于铝靶产生冲量的情况,进行了初步的实验研究。 用锗透镜把高能脉冲CO_2激光束聚焦,在靶表面上,用两种方法测量对靶的冲量。 一、激光测速刚体转距法。一个绕固定轴转动的刚体靶,受TEA CO_2脉冲激光辐照,在一瞬间由静止达到某一转速ω。此时靶所受冲量为:f·⊿t=Iω/L,其中I为靶的转动惯量,L为力臂,转速ω是主要测量参数。     

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。     

功率密度对等离子体冲击波力学效应的影响

为了研究入射激光功率密度对等离子体冲击波力学效应的影响,利用波长1.06μm,脉冲能量42mJ~320mJ,脉宽10ns的Nd:YAG激光作用在Al靶上,研究了冲量耦合系数Cm和激光功率密度I0的关系.实验发现靶材在离焦度χ不同时,Cm和I的变化关系相似,而对应的最佳功率密度明显不同.在功率密度由低慢慢升高过程中,冲量耦合系数先随功率密度升高而增加,升到最大值后随功率密度增加而减小.通过分析激光等离子体的吸收作用和离焦度不同时激光和靶相互作用机理的不同,认为Cm出现峰值主要是受等离子体屏蔽效应的影响,稀疏波的作用使得焦斑处最佳功率密度最大,而焦斑处空气击穿消耗能量导致焦后Cm峰值减小.     

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%。     

激光烧蚀过程中冲量耦合系数的研究

首先分析了激光烧蚀过程中,对冲量耦合系数大小有影响的因素,然后利用简化的物理模型,对激光聚焦后直接烧蚀固体靶的情况进行了理论分析,并应用数值计算重点讨论了激光能量在靶物质中的不同分布对冲量耦合系数的影响。结果说明:能量的分布不是影响冲量耦合系数的主要方面,而靶物质材料和靶结构对冲量耦合系数会有较大影响。     

脉冲强激光与碲镉汞相互作用时的冲量耦合

用冲击摆的方法测量了脉冲激光与碲锅汞冲量耦合系数，发现所测量的耦合系数受样品靶面积的影响，面积越大，系数越大；面积越小，系数也越小。这是因为强激光发射形成的激波引起的，利用激波膨胀模型，解释了这一现象。