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。     

船用钢板大功率CO2激光深熔焊等离子体研究

焊接过程中产生的等离子体是激光深熔焊的固有现象，它通过对激光能量的吸收、折射、反射等降低到达小孔的激光能量密度，影响激光与工件相互作用。使用微距高速摄影系统，研究了大功率CO2激光焊接不同功率和不同侧吹气体流量下等离子体的形态和尺寸的变化规律。在相同条件下，激光功率越大，等离子体的尺寸越大，而且越不稳定，容易出现激光维持的燃烧(LSC)波，严重影响焊接过程的稳定性。而通过增加侧吹气体的流量，可以有效抑制LSC波的产生，并且减小等离子体的尺寸，增加焊缝熔深。     

激光诱导放电等离子体羽辉的研究

为了研究激光诱导放电等离子体的膨胀特性，建立了一套基于脉冲CO₂激光诱导锡靶放电等离子体极紫外光源装置，采用增强型电荷耦合器件对羽辉进行拍摄，并采用1维真空电弧模型对实验结果进行了理论说明。实验中改变放电电压和激光能量，得到了不同条件下时间分辨的羽辉图像。结果表明，在激光能量140mJ、放电电压10kV的条件下，获得了稳定的放电等离子体；等离子体的羽辉形态与电流存在对应关系，经历了形成、膨胀、收缩、再次膨胀和消散的不同阶段，放电电压和诱导激光能量对羽辉大小、稳定性和形成时间有影响。此研究有助于提高激光诱导放电等离子体光源的稳定性以及极紫外光的输出功率。     

YAG激光焊接等离子体电信号检测与焊接模式分析

激光等离子体中包含了反映激光焊接过程特征的信息。利用激光等离子体光电信号同步检测系统,检测激光等离子体的光电信号并进行光电信号的对比分析,阐明了电信号与等离子体温度之间的关系;对A304不锈钢、430不锈钢、碳钢Q235等材料的激光表面自熔焊接过程的等离子体电信号进行了实时检测及概率密度分布分析,对深熔焊特征最明显的A304不锈钢进行了电信号概率密度分布的标准差分析。研究结果表明:利用激光等离子体电信号能够实时反映激光焊接等离子体的温度变化的特点,可以根据激光等离子体电信号概率密度分布来分析激光焊接模式的特点,进一步的标准差分析法可以判断A304不锈钢激光焊接的模式。     

激光等离子体点火在航空航天动力系统的应用

激光等离子体点火以其点火位置和时序方便可控、工况适应性好、电磁干扰小、启动快、可实现重复点火等优点，成为航空航天动力系统极具潜力的一种点火技术。介绍了激光等离子体点火的技术特点及其基本物理过程；其次，回顾了激光等离子体点火在航空航天动力系统应用的研究现状，尤其是哈尔滨工业大学近年来取得的研究成果；最后，分析了激光等离子体点火面临的问题，并对其发展前景进行了展望。分析表明，激光等离子体点火在无毒非自燃推进剂的火箭发动机和碳氢燃料的超燃冲压发动机的可靠重复点火上具有广泛的应用前景，但要实现工程应用，仍需要解决激光点火器与航空航天动力系统的一体化设计、激光点火器的小型化和工程化等问题。     

万瓦级激光-电弧复合焊接焊缝成形特性分析

为探究万瓦级激光-MAG复合焊接焊缝成形特性，在不同的激光功率下，对比分析了三种不同复合焊接方法在焊缝成形、等离子体形态方面的差异性及关联性。结果表明：随着激光功率变化，焊缝的特征尺寸及波动与等离子体的特征尺寸及波动具有一定的对应关系，具体表现为：随着激光功率增加，等离子体面积及其波动都增加，焊缝熔深、熔宽及其波动均增加；当激光功率增加到20 kW时，等离子体面积及其波动的增量开始减小，焊缝尺寸的增量也开始减小，焊缝成形质量开始变差。激光-单丝MAG复合焊接方法在20、25、30 kW激光功率下的平均熔深增量相比5、10、15 kW下的减小了71.64%。在相同的工艺参数下，与激光-单丝MAG复合焊接相比，激光-单丝MAG复合填丝焊接下的等离子体面积及其标准差显著增加，熔深减小，成形变差，而激光-双丝MAG复合焊接下的等离子形态、焊缝成形变化均不明显。随着激光功率增加，不同的添丝方式体现在焊缝成形及等离子体形态等方面的差异性逐渐增强，当激光功率增加到20 kW时，焊缝熔深以及影响熔深的等离子体面积及其波动的增量有所减小。     

激光打孔中光致等离子体的作用及控制方法

论述了激光打孔中光致等离子体的产生，发展，作用及等离子体屏蔽效应的控制方法。     

静态空气中多点激光诱导等离子体的演化特性

研究静态空气中多点激光诱导等离子体的演化特性是研究和优化其超声速稳燃效果的基础。在常规的试验研究中，由于测量手段和试验设备的限制，可以获取的静态空气中多点激光诱导等离子体的后流场信息有限，且激光焦点构型单一。本文采用改进后的Dors模型，对静态空气中多点激光诱导等离子体的演化特性开展了数值模拟研究。基于数值纹影图、温度等值面图、流场压力和温度分布规律图，阐释了静态空气中线形激光焦点构型的多点激光诱导等离子体产生的激波、等离子体内核以及流场相关参数的演化特性；随后通过对等离子体内核的平均温度、体积、比表面积以及流场特征位置的压力进行分析，得到了激光焦点布局形式和间距对多点激光诱导等离子体演化特性的影响规律。结果表明，当激光焦点间距较小（2～4 mm）时，激光焦点间距是影响演化特性的主要参数。     

声学法测量激光等离子体能量的研究

本文利用激光等离子体声波对高功率脉冲激光与材料相互作用过程进行了测量,首次得到了一定条件下几种材料的激光等离子体能量值。     

强激光等离子体有关物理量的声学测量

利用强激光与材料(铝靶)相互作用过程中产生的激光等离子体声波对激光等离子体的有关物理量进行了测量。其结果与采用其它方法得到的结果基本吻合。     

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。     

激光等离子体的非线性逆轫致吸收

:在激光与等离子体相互作用且激光的功率密度很高时 ,激光的强电场将使电子的热速度分布发生扭曲 ,从而改变了碰撞频率并导致吸收系数与激光强度相关 ,即出现非线性吸收。当激光强度较高时 ,非线性逆轫致吸收是对等离子体的加热起重要作用的机制。本文通过量子力学方法得出了非线性逆轫致吸收系数的公式 ,并对非线性逆轫致吸收系数进行了讨论。     

激光焊接等离子体温度场测量及数据处理

应用光谱分析法测量激光焊接光致等离子体的温度场是激光焊接光致等离子体测量技术中的难点.采用基于快速傅里叶变换(FFT)和汉克耳变换的阿贝尔逆变换数值方法,研究出一种等离子体二维温度场分布的数据处理方法,并进行了计算精度分析.利用该数据处理方法,在取样点为41个的时候,得到的标准误差e大约为3.23×10-2.同时,进行了焊接试验,采用多通道光谱仪观测孔外光致等离子体,利用所提出的新方法实现了试验数据的处理,获得激光焊接孔外等离子体的温度场.计算得出的温度场呈相对于光束中心的四周低中间高的趋势.     

大气呼吸模式激光推进数值分析

详细分析了激光击穿空气和激光维持等离子体爆轰波(LSD)的传播机制,基于Navier-Stokes方程建立了考虑湍流、等离子体辐射的流场分析模型,采用有限体积法系统分析了推进器喷管内等离子体冲击波流场的演变规律,研究了单脉冲激光能量大小和脉宽对推进性能的影响。数值仿真中明显捕捉到有关实验中观察到的马赫杆的产生与移动过程;得出了推力和冲量耦合系数随脉冲能量、脉宽的变化关系,计算结果与德国空间中心实验吻合得较好,为脉冲激光器的选择和脉冲参数优化提供了参考依据。     

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。     

小孔激光焊接熔池形状的实验和模拟分析

对低碳钢进行激光焊接后,发现焊缝熔深存在着30Hz～40Hz的低频振荡.同时在仅考虑小孔壁对激光的吸收和工件的热传导的条件下,利用这种简化后的能量平衡模型所得的熔池温度分布解析解对熔池形状进行模拟,模拟的熔池形状与实验结果基本吻合.     

强激光等离子体中质子加速的新机制

为了研究等离子体中Compton散射对靶背法向方向加速质子的影响,采用多光子非线性Compton散射模型和等离子体模拟方法,对Compton散射下等离子体中的质子加速进行了理论分析和数值模拟,提出了将入射光和Compton散射光作为在等离子体靶表面处形成的静电场加速质子的新机制,得到了质子加速的一些重要数据。结果表明,Compton散射使等离子体内产生的高能电子数增加,高能电子靶表面上所产生的静电场增强,从而使质子获得更高的加速能量;散射使静电场增强效应,有效地补偿了因激光调制不稳定性增强而造成电子在向等离子体输运过程中的能量损失,从而使质子从平缓密度标长等离子体中获得的加速能量高于从陡峭密度标长等离子体中获得的加速能量。因此,采用Compton散射下的平缓密度标长等离子体加速质子较为理想。     

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.     

气体等离子体产生太赫兹波的特性研究

基于光电流模型,对不同偏振情况的双色飞秒激光脉冲聚焦产生的气体等离子体中辐射出的太赫兹波特性进行了研究。根据光电流理论,气体分子被电离释放出的自由电子在非对称的激光场的作用下运动形成电子电流,产生在太赫兹波段的辐射。研究结果表明,太赫兹辐射的偏振特性与强度和入射双色激光的偏振特性紧密相关,仅当双色脉冲均为线偏振时,辐射出的太赫兹波才为线偏振,且强度受到双色脉冲偏振方向的夹角的影响;而对于实验中经过倍频晶体后变成椭圆偏振的基频光,太赫兹强度与倍频晶体的具体放置情况有很大关系,并且产生的太赫兹为椭圆偏振。     

飞秒激光器产生等离子体中电子剩余能量的研究

飞秒激光器的出现，使强场中的电离过程由最初的多光子电离和阈上电离，发展为以隧道电离（Tunneling Ionization,TI)或越过垫垒电离（Over-the-Barrier Ionization,OBI)为主要过程的光场感生电离（Optical-Field-Induced Ionization,OFI)。由于等离子参数对电子温度的可控制性，使基于OFI的X射线激光的等离子体特性在很大范围内具有可控制性。文中主要研究不同激光参数（泵浦激光的偏振特性，泵浦激光的波长，激光强度，电离能等）对等离子体中电子剩余能量的影响。