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。     

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。     

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。     

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.     

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%。     

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。     

基于脉冲激光的铝靶碎片冲量耦合系数的研究进展

综述了冲量耦合系数的测量方法:冲击摆法、激光干涉法、激光结合冲击摆法、水平导轨测量方法、压力传感器法,介绍了冲量耦合系数的主要数值分析方法以及影响因素:激光波长、脉宽、重复频率、功率密度以及碎片材料特性等。在概括总结了激光烧蚀冲量耦合影响因素的基础上,总结了激光烧蚀冲量耦合系数测量实验装置需要改进的措施以及测量装置和激光发射器今后所需要研究的方向。     

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.     

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.     

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。     

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...     

烧蚀模式激光推进研究现状

在对国内外文献综合调研的基础上,总结给出了烧蚀模式激光推进的研究现状.通过对各个国家研究成果的对比分析,为我国烧蚀模式激光推进研究提供了一些有参考价值的信息.     

基于正交实验法的激光烧蚀液态工质推进性能实验研究

液态工质在激光烧蚀推进性能研究中有着重要地位,诸多因素对液态工质的烧蚀推进性能有着或大或小的影响。乙醇作为一种常用的液态工质,具有良好的烧蚀性能。以乙醇为推进工质,选取吸收深度、激光能量、约束深度作为三个影响因素,利用正交实验法研究各因素对乙醇冲量耦合性能的影响大小,通过控制变量法对所得实验结果进行验证。结果表明,三个因素影响由大到小的顺序为:约束深度、激光能量、吸收深度,影响波动分别达到了264.49μN·s/J、261.71μN·s/J、53.93μN·s/J,影响幅度分别为18.95%、17.22%、3.96%,约束深度与激光能量的影响远大于吸收深度。     

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.     

纳秒激光毫米级光斑辐照典型金属材料冲量耦合特性

利用纳秒脉冲激光器对典型金属材料在毫米级烧蚀光斑尺寸下的冲量耦合特性进行了实验研究。基于典型扭摆测量系统测量激光烧蚀产生的冲量特性,采用局部最小二乘法平移拟合的方法,对扭摆振动产生的微小位移实验数据进行了预处理,避免了噪声对冲量测量的干扰。设计了一种毫米量级烧蚀光斑尺寸测量方法。在此基础上,实验获得了毫米量级光斑辐照金属靶材Al 5A06、TC₄、30CrMnSiA的冲量,研究结果表明,在相同能量密度的情况下,钛合金TC₄对应的冲量最大,TC₄获得的最大冲量耦合系数大于Al 5A06和30CrMnSiA,其对应的最优能量密度却是三种材料中最小的。为了分析烧蚀羽流对冲量耦合特性的影响,估算了不同能量密度对应的羽流透射率,计算结果表明,当羽流透射率低于0.3时,大量的入射激光能量被羽流吸收,导致冲量耦合系数的下降。     

超短脉冲激光烧蚀冲量耦合测量方法

超短脉冲激光烧蚀靶材产生的冲量耦合效应在激光烧蚀微推力器、激光清除空间碎片等航天应用中有广泛的应用前景,而高精度的冲量测量方法是研究冲量耦合效应的必须手段。采用基于激光干涉法的扭摆系统测量激光烧蚀靶材产生的冲量,并构建测量系统。研究扭摆系统纵轴振动和初始误差角对冲量测量产生的影响,扭摆系统纵轴高频振动导致了激光干涉条纹间距出现不均匀现象;此外,扭摆初始误差角越大,明条纹出现时间将前移,条纹数目变大,导致测量系统精度不高。通过建立的附加高频振动和初始误差角的误差分析模型,提出了基于最小二乘法的实验数据分析方法,该方法能够有效滤除高频测量噪声,解决了冲量测量精度不高的问题,进一步完善了冲量测量方法。     

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。     

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。     

单晶金刚石飞秒激光加工的烧蚀阈值实验

采用不同功率的飞秒激光对单晶金刚石分别进行了单脉冲分离烧蚀实验和多脉冲累积烧蚀实验,计算得到了单晶金刚石材料的单脉冲烧蚀阈值和多脉冲累积烧蚀阈值,并研究了多脉冲作用下单晶金刚石烧蚀阈值的变化。结果表明:单晶金刚石的飞秒激光单脉冲烧蚀阈值为8.80 J/cm^2;随着有效脉冲数增加,烧蚀阈值逐渐减小;当有效脉冲数小于124时,烧蚀阈值随有效脉冲数的增加而急剧减小;当有效脉冲数增加到486后,烧蚀阈值减小的趋势趋于平缓。有效脉冲数486、激光平均功率10.7 W是最优的激光加工工艺参数。     

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。