单脉冲激光减小超声速飞行器波阻的实验研究

利用激光等离子体减小超声速飞行器的气动阻力是一种新概念减阻方式。根据单脉冲激光减小超声速飞行器波阻瞬态流场的特点,建立了超声速条件下单脉冲激光能量沉积减阻实验系统,利用高分辨率的纹影系统拍摄激光能量沉积产生的激波与弓形激波相互作用过程,分析了激光减小超声速飞行器波阻的机理,以实验手段验证了激光等离子体可以减小超声速飞行器波阻,为研究高重复频率激光减阻提供了实验测试方案。     

激光减阻机理研究进展

激光等离子体减阻技术对于高超声速飞行器减阻隔热和提高飞行器性能具有重要意义.介绍了脉冲激光减阻研究的数值计算模型和实验研究方法;总结了激光等离子体减阻机理;讨论了入射激光能量、能量沉积位置和流场马赫数等关键参数对减阻性能的影响规律.针对目前研究现状,提出通过等离子体热核建立关键参数与激光减阻效果间联系的建议.     

单脉冲激光能量沉积对超声速钝头体波阻的影响

采用数值模拟和实验手段对单脉冲条件下的激光能量沉积减小超声速钝头体波阻进行了系统地研究。首先利用数值仿真的方法模拟了马赫5的超声速气流条件下,能量沉积对半球体阻力特性的影响,通过压力温度等值线及驻点参数的变化规律,分析了能量沉积减阻机理。研究结果表明由于能量的注入,钝头体前弓形激波发生变形,激波脱体距离增大,降低了钝头体表面的压力,从而减小了钝头体的波阻,在单脉冲作用时间内,波阻减小了13%。建立了超声速条件下单脉冲激光能量沉积减阻实验系统,利用高分辨率的纹影系统拍摄激光能量沉积产生的激波与弓形激波相互作用过程,实验结果与数值模拟结果基本吻合。     

纳秒激光等离子体减阻数值模拟

针对激光等离子体减阻技术机理,采用纳秒激光,数值模拟激光等离子体在流场中的演化过程,分析关键参数对纳秒激光等离子体减阻性能的影响。结果表明:纳秒激光能最大程度地提高激光等离子体减阻性能,阻力减小的百分比达99%,低阻力维持时间是入射激光持续时间的103倍;随着来流马赫数的增大,空气来流强度增强,导致减小阻力的百分比减小;随着激光能量的增加,激光引致的冲击波强度增大,使得减小阻力的百分比增加;随着激光聚焦击穿位置的增大,减小阻力的百分比减小,但低阻力维持的时间明显增加。     

飞秒激光烧蚀面齿轮的等离子体冲击波效应影响研究

针对面齿轮材料18Cr2Ni4WA在飞秒激光精微加工过程中产生的等离子体冲击波效应,建立了等离子体冲击波传播的压强方程、精微加工材料的波阵面温度模型。以脉宽、能量与离焦量作为变化参数,得到了冲击波传播半径随温度与压强的变化规律。试验验证了飞秒激光脉宽在300、500、800 fs时,单脉冲激光能量保持在15～25μJ,此时熔融层光滑平整,具有较好的烧蚀效果。相同脉宽下,过高的能量导致熔化材料过多,凹坑深度加深以致于排出效果降低,在凹坑壁形成高低不平的波峰。使用较高能量参数对材料进行变离焦量烧蚀时,随着正离焦量增大,边缘热影响区域增大。同时,等离子体冲击波对液态材料的排出效果由于离焦变化而降低。验证了等离子体冲击波效应模型,达到了实际烧蚀效果。     

缓慢上升快速下降的飞秒激光脉冲与气体等离子体作用的太赫兹辐射产生研究

飞秒激光脉冲与气体等离子体作用可以产生宽带、强的太赫兹脉冲辐射。采用一种缓慢上升、快速下降的飞秒激光脉冲与气体等离子体作用产生太赫兹辐射,并基于等离子体电流模型计算了这种太赫兹辐射的特性。由于这种特殊整形的激光脉冲能够对电子的加速产生较大的速度,从而可以产生较大的等离子体电流和较强的太赫兹辐射。计算结果显示:尽管这种特殊整形的飞秒激光脉冲能量有所损失,它能够比普通双色飞秒激光脉冲产生更强、更宽的太赫兹脉冲辐射。该项研究为基于激光等离子体作用的太赫兹辐射源提供了新的思路。     

等离子体冲击波效应对飞秒激光烧蚀面齿轮形貌的影响研究

利用烧蚀阈值理论，研究飞秒激光对面齿轮的烧蚀特征，得到了面齿轮的烧蚀阈值。建立烧蚀模型，计算仿真了飞秒激光在单脉冲与多脉冲烧蚀过程中的理论宽度与深度。利用等离子体冲击波传播半径随时间变化的规律，耦合飞秒激光多脉冲烧蚀时的表面残余温度变化，得到等离子体冲击波的动态反冲压力机理图，并得到飞秒激光加工过程中，等离子体冲击波动态反冲压力对烧蚀的凹坑形貌以及扫描隧道与烧蚀平面形貌变化的影响。通过试验验证飞秒激光对面齿轮进行隧道扫描时，随着扫描速度的增加，隧道的直线度降低。高功率条件下，增加相邻扫描道扫描间距，烧蚀后的齿面精度更高。     

关键参数对激光等离子体热核与激波相互作用过程的影响规律

针对激光减阻中激光等离子体热核与正激波相互作用物理现象,运用高精度纹影测量技术研究分析了激光等离子体热核在正激波冲击下的流动结构特性,获得了激光能量与激波速度两个关键因素的影响规律。实验结果表明:在正激波的冲击下,热核宽度呈先上升然后稳定并有减小的趋势,入射激光能量越高,热核在激波冲击下的宽度越大;热核的长度在正激波冲击下迅速减小然后以固定的速度线性增长,增长速度约为入射激波速度的19%。研究结论可为实际应用中有效增强减阻效果和延长持续时间提供依据,相关方法和结果对激光等离子体主动流动控制研究也具有很好的参考价值。     

CO2激光诱导液滴射流等离子体的实验研究

为了研究激光诱导射流等离子体特性,了解激光诱导液滴等离子体的发展过程,基于脉冲激光-液滴同步作用系统,采用阴影法,观测了激光作用液滴的阴影图像,取得了液滴在CO2脉冲激光作用下的演化过程数据。对图像进行处理获得了激光诱导液滴等离子体冲击波膨胀范围随时间的变化,并估算出了产生冲击波的激光能量。结果表明,空气冲击波的膨胀半径在当前观测时间范围内线性膨胀,约32%的激光能量用于产生冲击波。空气冲击波的变化规律对激光诱导液态燃料点火的研究提供了一定的参考依据。     

用激光推进轻型飞行器的初步实验探索

在激光冲击波技术及其应用研究的基础上,已知当合适功率密度的激光辐照物体表面时,表层材料吸收激光能量而产生高温等离子体,它喷射爆炸时产生冲击波,对物体施加一个冲击力,当冲击力超过物体重量即可把它推动发射出去.如用重复率激光继续辐照它,就有相应重复率的推力使之不断加速而继续飞行. 用单次脉冲激光把一个重5.87 g的模拟子弹发射到1.48 m的高度,并首次近距离又比较清晰地拍摄到激光诱发的等离子体喷射时产生的火光烟柱以及子弹飞行的照片,算出该子弹飞行初速度为5.38m*s-1.我们认为:1) 如果与遥感雷达和制导技术结合,将有可能用激光发射炮弹去清除空间垃圾;2) 当激光器做得足够小,并用太阳能做动力源时,将有可能把它安装在由常规火箭发射的大型飞行器内部,在飞行器进入轨道而失重后,利用该激光器将能使飞行器变速和变向,以操纵飞行器的飞行.(OE3)     

飞秒激光切割神经细胞突起

利用飞秒激光脉冲在细胞内部的非线性吸收,产生等离子体,通过产生等离子体诱导蚀除效应,从而达到细胞微手术的效果.对飞秒激光神经细胞突起切割的机理进行了初步分析,并研究了实验参量对切割作用和细胞活性的影响,发现平均功率≥0.5 mw的飞秒激光经40倍物镜(NA=0.60)聚焦进细胞中会产生光致破裂现象,导致作用细胞的死亡;稍低激光功率下在突起离胞体远近不同处切割,细胞均不会发生死亡,且稍远距离下切割细胞的突起似对细胞影响不大;不完全切割突起情况下,切割长度较小时,对细胞影响不大.     

高功率YAG激光在生理盐水中产生微等离子体的研究

利用光学阴影探测方法研究了调Ｑ－ＹＡＧ脉冲激光在生理盐水光学击穿阈值附近诱导微等离子体和冲击波产生的过程，得到了微等离子体和冲击波随人射激光能量和延迟时间而变的系列光学阴影图，并且指出了冲击波的机械作用在脉冲激光眼科医疗中的影响。     

超声速飞行器主动减阻技术研究进展

随着超声速飞行器的迅猛发展,空气动力学者认为减小阻力是实现超声速飞行器飞得更快更远的目标和提高飞行器气动性能的一种重要手段.目前世界许多军事强国先后开展了超声速飞行器减阻技术的研究和探索.本文介绍了目前主要研究的主动减阻方法及原理,对逆向喷流、边界层控制及能量沉积减阻的研究现状进行了综述和分析,特别是对目前倍受关注能量沉积减阻技术进行重点综述.最后针对各类减阻技术的特点,分析了减阻方法所涉及的关键技术,为超声速飞行器减阻技术的发展提出了几点建议.     

激光等离子体冲击波波阵面衰减特性的实验研究

采用光偏转法分别对空气及水中的激光等离子体冲击波信号进行了探测。研究了自由衰减条件下,激光等离子体冲击波波阵面的衰减特性,并讨论了作用激光能量以及介质的物理特性对冲击波波阵面衰减特性的影响。结论表明,采用光偏转法可以有效地探测各种透明流体介质中的激光等离子体冲击波;同种介质中,作用激光能量越大,冲击波衰减越慢;作用激光能量相同,冲击波在波阻抗较小的介质中衰减较慢。     

光纤探针探测水下激光爆炸

针对小范围内水下激光爆炸所产生的等离子体冲击波检测问题，对单模石英光纤探针探测方法进行了初步实验研究。采用1064nm调Q激光脉冲聚焦蒸馏水产生冲击波，利用自制光纤探测器进行了检测。结果发现除探测到冲击波信号外，爆炸所产生的等离子体闪光信号也进入光纤，两者混合叠加。同时由于水下激光爆炸所产生的射流对周围固壁面的破坏作用，光纤探针在实际检测过程中不能过分靠近爆炸源，对300mJ激光能量，该光纤探针安全范围应大于0．6mm。     

激光薄膜损伤中等离子体冲击波特征

在不同位置和激光辐照能量的条件下,采用传声器采集并提取了等离子体冲击波的压强值及其起始时间信息,分析了等离子体冲击波在空气中的传播规律,拟合得到了冲击波声压值与激光辐照能量的关系函数。结果表明,激光等离子体冲击波以球面波形式在空气中进行传播,其声压值与激光辐照能量呈非线性的正相关关系。     

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。     

约束层刚性对激光诱导冲击波影响的研究

用不同的实验方法研究了约束层的厚度和弹性与激光冲击强化效果和变形量的关系,进而说明约束层本身的刚性对激光诱导冲击波的影响。实验表明,采用一定厚度的约束层,既能有效利用激光能量,又能获得较大的激光冲击波峰压;一定刚性的约束层比弹性约束层更能有效提高激光冲击波的峰压,从而能得到更好的激光冲击效果。     

飞秒激光在金属钼表面诱导产生纳米量级周期条纹结构的研究

针对近红外(800 nm)及其二倍频(400 nm)飞秒激光脉冲在金属钼表面诱导产生周期性条纹结构的情况进行了研究,分析比较了入射激光能量、脉冲重叠数、激光中心波长和加工氛围等实验参数对金属表面自组织形成的条纹结构空间周期的影响,并利用中心波长为400 nm的飞秒激光在水环境中于单晶钼表面制备出了空间周期仅约160 nm的条纹结构。同时针对水中加工的情况,在理论上提出了入射激光与表面等离子体波发生干涉和表面等离子体波形成驻波两种机制相互竞争的物理模型,很好地解释了实验现象,对于深入理解飞秒激光在金属表面进行纳米尺度的加工制备具有重要意义。     

飞秒激光微加工中诱导空气等离子体的超快观测研究EI北大核心CSCD

通过搭建飞秒时间分辨的泵浦探测阴影成像系统,研究了聚焦的飞秒激光脉冲产生空气等离子体的瞬态演化特性,并对不同聚焦条件下空气等离子体的时间特性进行了数值模拟。实验结果表明:聚焦的飞秒激光电离空气等离子体的电子瞬态密度峰值先升高后缓慢下降;同时得到了高时间分辨下的电离速度变化与电子数密度的空间分布。计算结果显示:更高的单脉冲能量对应更高的饱和电子数密度,高数值孔径聚焦条件下隧穿电离也更早出现,表明飞秒时间分辨的泵浦探测阴影成像可为超快激光微加工的瞬态过程提供观测手段,同时可对超快激光微加工过程中的等离子屏蔽效应提供机理解释与加工工艺的优化参考。