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。     

不同类型偏差对激光聚焦系统聚焦性能的影响北大核心CSCD

基于光学设计软件ZEMAX,通过Monte Carlo光线追迹法,对比研究了采用三种设计方式的二次反射聚焦系统在不同类型角度偏差下的聚焦性能参数的变化。结果表明:任何微小的角度偏差都会导致聚焦性能急剧下降和聚焦位置大幅偏离。聚焦系统存在角度偏差时,不同设计方式的聚焦系统会形成不同形状的点火区域,这将导致激光推力器产生完全不同的飞行的轨迹和姿态。     

激光点火过程的一维有限差分模拟

从激光点火的热机理出发,建立了激光点火过程的一维有限差分模型,并对B/KNO3/酚醛树脂点火药的激光点火特性进行了数值模拟。结果表明,随着入射激光能量水平、入射激光功率、入射激光能量密度、药剂激光吸收系数的减小,药剂的点火延迟时间延长 ;当入射激光能量水平接近点火能量阈值时,药剂表面温度的成长曲线出现双峰现象 ;点火功率阈值随着光束半径的增大而增大,随着脉冲宽度的增大而减小。模拟结果与实际激光点火过程的规律一致,与实验结果基本吻合。     

用列阵成象方法测量激光束的远场

在激光加热等离子体的实验研究中,对入射激光束能量的角分布和光束聚焦在靶上的时间积分能量分布都是重要的参量,它们表征了激光束的运场特性.本文报导采用一台列阵成象装置,能同时测量上述两个参量.     

离焦量对“猫眼效应”反射特性的影响

为了研究目标光学系统在焦平面反射元件离焦情况下的"猫眼效应"反射特性,采用ZEMAX光学设计及分析软件对"猫眼"目标进行建模和仿真,得出了入射激光通过"猫眼"目标后的能量通过率、后向反射激光束的发散角、远场光斑及其能量分布情况等特性,以及正负离焦量对反射特性影响的区别,并且得出在离焦情况下能够产生"猫眼效应"后向反射光所必需的入射激光束的入射角范围.结果表明,离焦量对"猫眼效应"后向反射光特性有决定性的影响,尤其是对远场光强影响较为显著,这为激光主动探测体制的探测能力分析提供了可靠性依据.     

激光淬火过程激光束模式的影响

为了检测激光淬火过程中CO2激光束能量的空间分布变化,研究不同激光模式对激光淬火硬化层均匀性的影响,采用基于焦热电相机的在线激光束分析仪实时监测激光淬火过程中的激光束模式.结果表明,由于激光能量密度空间分布的不均匀,导致光斑左右两侧硬化层深浅不一致.从显微组织发现,硬化组织结构的均匀性和激光束模式有着非常紧密的关系,均匀的激光能量分布产生较为均匀的组织.     

反射镜表面粗糙度对激光推进环聚焦性能的影响

设计了环聚焦光学系统,考虑反射镜表面粗糙度对聚焦性能的影响,利用"光线追踪法"建立了研究环形"点火"线形状、大小以及能流密度的数学模型.数值模拟结果表明:环聚焦模式对反射镜表面粗糙有一定的容忍度;同时在抗反射镜表面粗糙方面较点聚焦模式更加优越.     

激光对金属背面含能材料的点火阈值

实验研究了Nd:YAG激光束通过辐照薄金属片,而对其后紧贴的含能材料的点火阈值。分析了激光对含能材料点火的过程和机理,并讨论了激光光斑尺寸、激光入射角度对点火的影响。     

激光淬火过程激光束模式的影响

为了检测激光淬火过程中CO2激光束能量的空间分布变化,研究不同激光模式对激光淬火硬化层均匀性的影响,采用基于焦热电相机的在线激光束分析仪实时监测激光淬火过程中的激光束模式。结果表明,由于激光能量密度空间分布的不均匀,导致光斑左右两侧硬化层深浅不一致。从显微组织发现,硬化组织结构的均匀性和激光束模式有着非常紧密的关系,均匀的激光能量分布产生较为均匀的组织。     

激光束的实时空间整形方法

在高功率激光系统中,激光光束的传输与放大,需要对输出的激光光束整形,包括对激光束几何形状与光强分布的整形,才能有效地控制光束质量,提升激光系统的输出功率。目前,通常的光束空间整形方法是采用针对特定输入光束(如均匀或高斯光束)的切趾光阑(如锯齿、波纹光阑)或结合空间滤波进行光束空间整形,而实际输入的光束并非是这样的理想型光束,所以上述方法在光束的空间整形中存在一定局限性,因此,研究实时、可调的光束空间整形尤为重要。对此,本文提出了对激光束进行实时、可调控的激光束空间整形的新方法,实时产生与入射光束相关的软边切趾光阑,结合空间滤波,获得所需形状的近"平顶"光强分布的近场光束。数值模拟结果表明新方法可以对实际激光系统的光束实现实时、有效的整形。     

激光无线能量传输接收端光束匀化装置设计

激光无线能量传输中,激光光强分布不均匀和激光光斑与光电池形状不匹配会导致系统光电转换效率降低,局部温度过高,极端条件下甚至对光电池造成损伤。基于分布式匀化思想设计了一种激光接收装置,首先用光学整形扩散片在光电池各子区域进行光束初次匀化,然后用光学漏斗进行二次匀化和整形。针对1 cm×1 cm光电池,分析了光学整形扩散片的扩散角度和光学漏斗的高度对光束匀化效果的影响,优化后的激光接收装置的耦合效率η_c>95%,光强不均匀度Δ<0.05。此外,该激光接收装置对激光入射角不敏感,入射角为20°时,η_c>80%。搭建了3×3光电池芯片阵列的激光无线输能系统,采用分布式匀化激光接收装置,光强不均匀度由0.34降到0.12,光电池转换效率提升了65%。与正入射时相比,入射角为18°时,系统转换效率变化小于20%。结果表明,该分布式匀化激光接收装置有效提高了接收端的光强均匀性和系统光电转换效率,且对激光入射角不敏感,在激光无线能量传输中有重要作用。     

7A9--Density and temperature of a laser induced plasma

The plasma "blow-off vapor," produced when a high power laser beam strikes a solid surface, has been studied experimentally and theoretically. Electron densities and plasma optical thicknesses have been measured both in time and position resolved manners for plasmas produced from carbon. The ruby laser system consisted of a "Q-switched" oscillator and one amplifier, both 7 inches long and 0.6 inch in diameter. The system energy output was between 8 and 13 joules in a 0.055 μ-second pulse width at half height. The electron density was measured using a gas laser as a probe light source and a Mach-Zender interferometer to measure the phase shifts due to plasma refractivity. The experiments were performed with incident laser energies of 10 to 1000 joules/cm²(by focusing). Electron densities as high as 10¹⁹cm^-3were observed, with correspondingly high plasma optical thicknesses. There were strong indications of heating by the incident laser beam of the front edge of the plasma, which was not expected on the basis of plasma heating by free-free and bound-free absorption due to the low electron density existing there. In general, a theoretical treatment of plasma heating by the bound-free and free-free absorption agreed well with experiments.     

斜入射激光抽运铯束频标中的光频移

本文对斜入射激光抽运斜入射激光检测小型铯原子钟实验系统上光抽运区荧光引起的光频移（主要是交流斯塔克移动）作了理论计算。结果表明斜光抽运方案可以有效降低铯原子束频标中的光频移。文中同时提出一种通过改变斜入射抽运激光发散角来直接测量光频移的新方法。     

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。     

基于陶瓷焊接的半导体激光器合束及聚焦研究

为了解决石油输送管道Al₂O₃陶瓷内衬管的连接问题,研制了专用的半导体激光光源用于陶瓷激光焊接。实验研究了陶瓷激光焊接所需要的半导体激光工艺参量及光束要求,采用单管空间合束、偏振合束、波长合束以及菲涅耳聚焦系统输出等方式,研制了光场分布均匀的半导体激光陶瓷焊接系统。结果表明,所设计半导体激光器偏振合束输出功率为384W,合束效率达到96.62%,经波长合束后输出功率可以超过800W,聚焦系统输出光斑均匀度为93.85%。该系统可以成功应用于不同场合的陶瓷焊接生产中,满足2mm厚度Al₂O₃陶瓷激光焊接要求。     

应用于高能激光系统的发射聚焦装置研究

为了满足当前高能激光系统的工程应用需求,设计了针对高能激光聚焦的发射聚焦装置。首先选取了折反式二级扩束光学系统作为设计模型,然后利用光学设计软件序列模式对光学系统进行了设计优化,获得了平面波光束在不同距离聚焦的设计结果。其次由于平面波光束和高斯光束在调焦量上存在差异,通过矩阵光学理论计算了针对高斯光束聚焦的调焦修正量,并利用光学设计软件非序列模式重构光学系统,并以非相干空间合束的高斯光束作为入射光,进行了高能激光的传输聚焦仿真验证。在系统参数一致的条件下,与常规的离轴反射式光学系统进行对比。对比结果证实了本文设计的光学系统光学性能优良,可满足对入射高能激光在0.5~5 km范围内聚焦,最后开展的样机实验也验证了设计的正确性和合理性。     

利用细棒润湿效应弯曲液面边界反射的研究

发现了细棒润湿效应时弯曲液面上边界反射光场的圆形暗场扩张效应.当平行激光束垂直入射到由细棒润湿效应引起的弯曲液面上时,边界反射产生特殊的反射图样,图样的中心为圆形暗场,周围有清晰的衍射条纹,并且暗场的半径随入射光束半径的缩小而变大.理论上分析了反射图样暗场的半径与边界入射光束半径的解析关系,实验室上计算了弯曲液面的斜率,进而得出弯曲液面上升的最大高度和接触角.建立了一种利用弯曲液面边界反射的暗场扩张效应来实时测量液面特性的新方法.     

凹形弯曲液面的边界反射及应用

发现了凹形弯曲液面上边界反射光场的带状亮场扩张效应.当平行激光束垂直入射到两平行平板之间润湿效应引起的凹形弯曲液面上时,边界反射产生特殊反射图样,图样的中间为带状亮场,两侧为暗场,亮场中有清晰的带状衍射条纹,并且亮场宽度随入射光束宽度的增加而迅速地变大.分析了反射图样中带状亮场宽度与入射光束宽度的解析关系,进而精确地描述凹形弯曲液面的斜率和上升高度,建立了一种描述凹形弯曲液面特性的新方法.     

纳秒脉冲控制精度对多光束组束的影响

在多束脉冲激光叠加过程中,脉冲的同步延时控制精度和脉宽控制精度对叠加光束能量分布具有重要影响。基于光束叠加理论,建立了四束脉冲激光能量叠加模型,以四束整形脉冲为入射光源,分别针对同步延时控制精度和脉宽控制精度变化情况下叠加脉冲能量分布进行了定量计算。结果表明,随着同步延时控制精度和脉宽控制精度的降低,叠加脉冲的脉宽增加,峰值降低。多束脉冲的同步延时控制精度和脉宽控制精度的变化对激光组束的影响比单束脉冲的影响更大。四束激光合成系统中,在其他参数不变的情况下,叠加光束激光脉冲峰值光强变化率小于5%时,单束激光脉冲延时变化率和脉宽变化率保持在3.2%和10.9%以内。因此,脉冲延时对叠加光强影响更大。