切向气流作用下激光对薄铝板辐照效应的初步研究

采用实验测量与数值模拟相结合的方法研究了切向表面气流环境中激光对薄铝板的辐照效应。实验结果表明:相同速度的氮气流和空气流中,铝板温度曲线相似,说明对于铝这种材料而言,空气流的氧化烧蚀几乎不能进行。无切向气流时,辐照过程中相同时刻铝板的温升及铝板达到的最高温度都高于氮气流和空气流情形。三种环境中,铝板中心位移的变化趋势同温度的变化趋势相同,说明激光加热产生的热应力是铝板形变的主要原因,切向气流不起主导作用。利用有限元分析软件ANSYS数值模拟了铝板温度场及形变的演化过程,分析了激光功率分布和对流换热对结果的影响,数值模拟结果同实验符合地较好。研究结果表明:在较低激光功率密度条件下,切向气流主要通过对流换热对铝板起冷却作用,尤其在激光辐照停止后的降温阶段,其作用更加明显。     

亚声速切向气流对激光辐照TA15钛合金热响应的影响

利用亚声速气流环境模拟系统, 开展了自然对流及马赫数为0.4和0.8切向气流条件下, 1 064 nm连续激光辐照TA15钛合金材料热响应实验研究, 得到了材料的温度历史曲线数据。通过分析实验结果表明: 在激光辐照材料未使得其表面发生熔化时, 切向气流对材料激光辐照过程中以冷却效应为主, 随着气流速度的增加, 冷却效果明显。同时切向气流影响着材料的温度分布, 沿气流流动方向, 气流对下游区域的冷却效果低于上游区域。     

局域外热源下层合材料烧蚀特性研究

层合式柔性复合材料其强度、耐候性、密封性突出,在航空航天领域具有重要的应用价值.研究采用激光辐照的方法产生局域外热流,针对不同热流密度和氧气分压,对耐候层和高强度纤维层合材料的烧蚀特性进行了实验研究.实验结果表明,在局域外热源条件下,表面耐候层以热缩合破裂的形式与底层纤维脱开,从而使纤维材料暴露在外热源下,最终以纤维的受热分解和碳化实现材料的整体破坏.随着热流密度的增加,破坏过程明显加快,环境氛围对纤维的高温段烧蚀过程影响很大,而对耐候层的烧蚀过程几乎不产生影响.     

样品温度对激光诱导黄铜等离子体辐射特性的影响

为了研究样品温度变化对激光诱导铜等离子体特征参数的影响,利用单脉冲激光诱导激发加热台上的样品形成等离子体, 改变样品温度获得相应的黄铜等离子体发射光谱。分析了样品温度变化时特征谱线强度的变化,并在局部热 平衡(Local thermodynamic equilibrium, LTE)条件下,利用Boltzman方程和Stark展宽计算并获得不同样品温度 条件下等离子体电子温度和电子密度随时间的演化规律,同时讨论了激光诱导金属等离子体光谱增强的原因。 实验结果表明,延迟时间相同时,样品温度越高,谱线强度越强,电子温度和电子密度越大。由此可见, 适当升高样品温度可以提高谱线强度。     

几种新型有机分子的双光子吸收及光限幅特性研究

激光限幅是针对由于激光技术的广泛应用和激光武器的实用化而采取的激光防护新技术．所谓激光限幅器,即是在低光强或低能流密度的条件下,器件具有高线性透过率,而在高光强或高能流密度的条件下,器件具有低非线性透过率,从而把输出光限制在一定的功率或能量以下,因此可有效地实现对多种观瞄系统光电传感器及人眼的有效防护．近年来,基于材料的非线性双光子吸收的有机光限幅材料的研究取得了一定的进展,但仍远远满足不了激光限幅器实用化的要求．因此寻求新的具有高的非线性性能的激光限幅材料是摆在我们面前的一项重要任务． 本文报…     

不同工艺条件下TiO2单层膜的吸收和损伤阈值测试

利用电子束热蒸发技术在不同氧分压和烘烤温度下镀制了一系列TiO2单层膜,采用表面热透镜技术测量了样品在1064nm处的弱吸收值,并用激光损伤测试平台测量了样品的抗激光损伤阈值(LIDT)特性。实验结果表明较高的氧分压和较低的烘烤温度能显著减小薄膜的吸收值。不过薄膜在基频下的损伤阈值除了受到薄膜吸收值的影响外,还取决于基底表面的杂质密度,当薄膜吸收较大时,本征吸收对损伤破坏起到主要作用;随着薄膜的吸收逐渐减小,基底表面处的缺陷吸收逐渐取代本征吸收成为影响薄膜损伤阈值的主导因素。     

激光量热法测量深紫外氟化物薄膜吸收

为了获得薄膜材料吸收率与深紫外激光照射能量密度间的对应关系,掌握薄膜材料深紫外吸收特性,应制定相应的吸收测量规范。介绍了激光量热法的原理及测试流程,分析了测试过程中的剂量效应、非线性吸收和不可恢复吸收等现象,提出了利用激光量热法测量应用于波长193nm紫外光刻系统的氟化物薄膜材料吸收率的方法,并进行了实际测量。根据所建立的测量方法,获得熔石英基底材料在193nm紫外光照射下的剂量效应及出现不可恢复吸收现象时相应的激光能量密度,进而测量出基底材料吸收率与激光能量密度之间的关系;通过热蒸发对基底镀氟化镁及氟化镧单层膜,测量镀膜后样品的吸收率与激光能量密度的关系,通过与镀膜前吸收率的对比,计算了两种薄膜材料吸收率与激光能量密度的关系,推算出薄膜材料在实际工作状态时的吸收率,并得到不同沉积温度下氟化镧薄膜材料吸收率、粗糙度与波纹度。实验结果证实了新提出测量方法的可行性,测量结果为改善系统成像质量以及延长元件使用寿命提供支持。     

基于激光光热法的固体热扩散率数值分析

固体材料的热扩散率对于研究低温非稳态导热过程极为重要,为了研究固体材料在低温下的热扩散率,本文根据热扩散理论模型计算样品材料在不同温度时的热扩散率,在此基础上基于激光光热法对热扩散率与激光频率和相位之间的函数关系进行了数值模拟,数值计算结果与实验数据对比表明两者基本相符,研究表明激光光热法可对固体材料的热扩散率进行有效测量,样品材料在低温下热扩散率的数值模拟表明20～80 K温区样品材料热扩散率随温度变化而显著变化,80～300 K温区材料热扩散率变化较小。     

基于激光热成像的金属表面缺陷深度检测

为了突破传统方法对材料表面缺陷深度检测的局限性,提出了一种基于透射式激光热成像的无损检测技术。选用激光源作为激励源,对被测材料的缺陷表面进行加热,加热点选在材料表面缺陷正下方处,激光输出功率为50W,加热时间为1s。在加热过程中,材料背面的温度场由于热流在材料缺陷传导过程中的影响而产生温度差异,故使用红外热像仪对加热过程中材料背面的温度场变化进行记录,并使用无缺陷处A点作为参考点,有缺陷处B点作为考察点,通过分析A、B两点的温度变化情况来对表面缺陷的深度进行特征提取。经过实验验证可知,该方法可以在一定条件下对材料表面的缺陷深度进行检测,当A点温度一定时,B点温度与缺陷深度的最优拟合呈指数关系,随着缺陷深度的增长,背面B点温度也随之降低。研究结果为后续的缺陷深度精准量化奠定了基础。     

沉积能量在气流介质中的热效应及其激光干涉法测量

从基本的气体动力学方程组出发分析了气流介质中由于放电、吸收激光等沉积能量所造成的热效应和气流的特性。对于典型的气流放电激光器条件,0.05≤M《0.2,气动方程有最简单的形式,很容易得到解析解,并可以用激光干涉法测量沉积能量和密度,温度和速度等气动参数沿流动方向的分布。     

ErFeO3材料制备及激光隐身性能研究

对ErFeO3材料的制备以及其对可见光和激光的隐身性能进行了研究。通过采用高温固相法,制得了在不同煅烧温度下的材料样品。通过对XRD图、漫反射光谱的分析,发现对激光吸收起主要作用的成分是ErFeO3。煅烧温度为1300 ℃,厚度约为0.2 mm的材料样品在1.55 μm处的吸收率达到了37.5%。反射光束的空间分布近似于朗伯余弦分布,且当入射功率小于80 μW时,材料样品对激光吸收良好,而当大于80 μW时,吸收达到饱和。宏观上,材料样品呈现土红色,所研究的ErFeO3材料兼具可见光和激光隐身的效果。     

基于高温原位观测的高速风洞内强激光诱导的瞬态破坏行为研究

建立了一种适用于强激光辐照面的高温原位观测方法，并开展了高速风洞内的激光辐照实验，获得了典型金属材料与复合材料在超声速切向气流条件下的瞬态烧蚀与破坏行为；此外，基于Horn-Schunck光流法分析了各典型材料的烧蚀特征与质点的运动速度，基于粒子图像测速法并结合复合材料铺层结构特征获得了瞬时烧蚀速度。研究结果表明，各材料的动态烧蚀行为有很大差异：在切向气流作用下，熔融态钛合金的流动模式从燕尾状转变为羽翼状，而镍基高温合金则呈雨滴状流动。基于Kelvin-Helmholtz机制分析了切向气流作用下不同金属材料击穿时间存在差异的原因。超高温陶瓷复合材料的热化学烧蚀和机械剥蚀特征与编织结构类型密切相关，并且高激光功率密度条件下的抗激光烧蚀性能与碳纤维含量成正比。     

复合材料激光辐照过程中的吸收特性分析

为了研究激光辐照过程中芳纶纤维/环氧和碳纤维/环氧两种复合材料吸收特性的变化情况,采用双积分球-光电管测试系统和对实验回收样品进行微观分析的方法,得到了两种复合材料在1.19μm连续激光辐照过程中吸收率的变化结果.在烧蚀前,材料的吸收率随激光功率增大而缓慢减小,芳纶纤维/环氧材料从0.6减小到0.55,碳纤维/环氧材料从0.85减小到0.8;当材料发生烧蚀时,芳纶纤维/环氧材料的吸收率迅速增大,而碳纤维/环氧材料的吸收率无明显变化.结果表明,烧蚀对芳纶纤维/环氧材料的吸收特性影响较大,对碳纤维/环氧材料无明显影响.     

表面气流环境下激光辐照碳纤维复合材料实验研究

以跨音速风洞为平台, 开展了表面亚音速气流环境下, 连续激光辐照碳纤维复合材料实验研究。研究表明, 无气流时, 喷出的热分解产物会降低激光能量透过率; 有气流时, 气流快速带走热分解产物, 并对基体分解后裸露的碳纤维材料进行冲刷和剥离, 加速了材料的烧蚀。表面亚音速气流的加载有利于激光对碳纤维复合材料的破坏, 且马赫数越大越有利; 在激光总能量不变的情况下, 适当降低激光功率密度, 延长激光作用时间, 有利于激光对碳纤维复合材料的破坏。     

红外激光辐照探测器材料温升的数值计算

采用数值方法,考虑自由载流子吸收、单光子光致电离吸收和双光子光致电离吸收等激光吸收机制以及材料的光学、热学性质对温度和载流子密度的依赖性,通过求解能量输运方程以及温度扩散方程,研究了探测器材料受连续波红外激光辐照时的温升过程,讨论了材料的温升与入射激光波长、功率和辐照时间的关系,并给出了材料内温度的瞬态分布     

粒径对激光诱导煤粉流等离子体特性的影响

为了明确在应用激光诱导击穿光谱技术进行煤粉流物质成分在线检测过程中,煤粉粒径大小对激光诱导煤粉流等离子体特性的影响,利用螺杆给料机搭建煤粉颗粒流检测平台,分析了粒径不同的6种煤粉流等离子体的光谱数据。结果表明,在相同的实验条件下,随着煤粉颗粒粒径减小,等离子体的电子密度和温度升高,粒径小于50μm与粒径为250μm~300μm的样品的等离子体电子密度和温度分别升高了19.89%和13.13%;煤粉粒径大小对激光诱导煤粉流等离子体特性有很大影响,选取合适的煤粉粒径不仅可以提高光谱强度而且元素检出限也得到改善,更有利于检测样品中含量低的元素。     

基于有限元分析法的激光剥离技术中GaN材料瞬态温度场研究

用有限元分析法模拟计算Al2O3／GaN的激光剥离，分析了采用不同能量密度脉冲激光辐照时GaN材料内的瞬态温度场分布。采用波长248nm的KrF准分子激光器对Al2O3／GaN样品进行激光剥离实验。实验结果与有限元数值模拟结果一致。分析了影响GaN材料温度场分布的因素，在激光光源一定的条件下，温度随时间和深度变化较快。在实现激光剥离时，脉冲激光的能量密度应不低于阈值条件，但为了避免温度过高对器件产生损伤，脉冲激光的能量密度存在上限。多脉冲激光辐照时，脉冲频率是另一关键参量，计算得到了不同能量密度的脉冲激光辐照时频率的选取范围。     

不同硬度受热面材料的激光诱导等离子体光谱特性分析

将激光诱导击穿光谱(LIBS)用于锅炉受热面材料特性分析,选用受热面常用的珠光体耐热钢12Cr1MoV,并通过热处理工艺制备了不同硬度的实验样品。选择样品中基体元素Fe和合金元素Mn、Cr、V合适的分析谱线,对比分析了不同硬度条件下离子谱线与原子谱线的强度比和等离子体温度的变化规律。实验结果表明,由于等离子体冲击波特性差异和激光烧蚀质量的变化,导致了特征元素离子谱线与原子谱线强度比随着样品硬度的增加而增强,等离子体温度随硬度的增加而升高。     

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。     

不同激光参数下煤粉颗粒流等离子体特性分析

针对激光诱导击穿光谱技术应用于煤粉颗粒流成分的直接检测, 研究不同激光光源参数对煤粉颗粒流等离子体特性的影响,以优化煤粉颗粒流检测时的激光波长、能量等光源参数。选取电厂常用燃煤神木混作为实验对象,经碾磨后得到粒径小于0.2 mm的样品,利用绞笼式给粉机产生稳定煤粉流。研究分析不同激光波长下等离子体温度、电子密度以及特征谱线强度等特性随激光能量的变化趋势。研究结果表明,在不同波长激光作用下,煤粉颗粒流的等离子体温度、电子密度和特征谱线绝对强度随激光能量在一定范围内的变化趋势基本一致,但在激光波长为1064nm 条件下,随着激光能量的增加,这些特性参数增加的速度要比532nm时更快,这主要是由于短波长（532 nm）的光子效率更高,在较低的能量条件下,就会达到饱和状态。