多脉冲激光对K9玻璃的表面损伤实验研究

实验研究了波长为1064 nm、脉宽为10 ns、重复频率为1 Hz的激光脉冲对K9玻璃的表面损伤特点,给出了脉冲透过能量随激光脉冲作用次数变化的规律。采用3维立体显微镜对损伤形貌进行观察,发现K9玻璃的损伤表面呈环状分布,分为烧蚀区、微裂纹区和断裂区。随着激光脉冲个数的增加,损伤由点状破坏演变为损伤区,微裂纹逐渐增长,损伤面积逐渐增大。基于激光支持的爆轰波理论分析,激光与脆性材料的相互作用可引起微裂纹的大量增长。在多脉冲激光的作用下,K9玻璃损伤的累积效应明显,表面损伤阈值明显降低,表面裂纹增长明显,损伤面积逐渐增大;但随着激光脉冲的继续增加,这种损伤趋于稳定。

基于压电探测判定激光支持燃烧波和爆轰波的点燃阈值

为了获得激光支持燃烧波和爆轰波的点燃阈值,采用压电探测器检测波长为1 064nm的Nd:YAG激光作用在铝靶表面所产生的应变和冲压。从实验结果观察到压电信号的变化分为3个阶段,分别为光热弹性应变阶段、等离子体增强耦合阶段和激光支持爆轰波对靶表面的压力阶段,并从理论上研究了这3个阶段的激光与靶材料相互作用的机理,从而可以从压电信号是否发生跃变判断出激光支持燃烧波和激光支持爆轰波的点燃阈值,与其它方法所得到结果基本吻合。

激光等离子体对靶冲量传递的实验研究

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,并应用该技术测量了不同激光功率密度下的激光支持爆轰波对靶产生的冲量,得到了聚焦透镜焦点附近的靶获得的冲量、冲量耦合系数和作用激光功率密度呈非线性关系,且随着作用激光功率密度的增加冲量耦合系数呈饱和趋势,最后根据有关理论对实验测试结果进行了解释。

等离子体初始密度对激光支持爆轰波特性的影响

采用守恒元求解元方法,对描述激光支持爆轰波等离子体流场演化的二维轴对称流体动力学控制方程组进行了数值模拟计算,给出了不同时刻点的等离子体压强、密度、温度、速度及对激光吸收系数的空间分布,比较了初始密度不同的情况下等离子体演化的不同特点。计算结果表明,等离子体初始密度较大时,等离子体对激光的吸收系数较大,为了增强激光能量与靶面的耦合,应合理控制靶面等离子体密度、激光脉宽及脉冲间隔。

LSDW速度随激光参数和环境气体压强变化规律的实验研究

对LSDW速度随入射激光能量、激光聚焦角度和环境气体压强变化的规律进行了实验研究。研究发现,入射单脉冲激光能量越大,聚焦角度越小,环境气体压强越小,LSDW的传播速度越大。实验测量得到的LS-DW速度随入射激光能量、聚焦角度和环境气体压强的变化规律与一维理论公式中体现的规律完全一致。将相同条件下的实验数据与理论结果进行比较后发现,二者在定性上取得了很好的一致性,但在定量上有所差别,因此需要对现有一维理论公式进行修正,以便更深入地研究LSDW的传播演化规律和特性。

纳秒激光脉冲烧蚀硅产生的空洞结构

纳秒激光脉冲烧蚀硅产生的微纳结构具有广泛的应用前景。激光与硅相互作用过程涉及复杂动力学过程,本文利用1064nm、10ns激光脉冲烧蚀硅产生空洞结构,同时利用相爆炸理论对烧蚀形貌进行分析。研究结果表明:相爆炸使得硅材料发生剧烈的去除,在烧蚀中心产生深坑,而烧蚀产物在相爆炸的巨大压力作用下,高速飞溅,在坑外侧沉积。

激光支持爆轰波点燃阈值的声学判断

不同功率密度的高功率激光与材料相互作用时将发生激光支持燃烧波或激光支持爆轰波的现象。为了获得激光支持爆轰波的点燃阈值,采用了波长为1064nm的激光作用在铝靶表面,产生的等离子体声波的峰值声压与作用激光功率密度间存在跃变阶段,并进行了理论分析和实验验证,取得了激光支持爆轰波的点燃阈值,与采用其它方法得到的结果基本吻合。实验结果对了解激光与物质相互作用机理和过程是有帮助的。

双点激光点火直接起爆的数值模拟

针对双点激光点火直接起爆过程中爆轰波的形成、发展和传播问题,采用高精度数值模拟方法求解带化学反应的二维欧拉方程组,研究了不同环境压力情况对流场结构与波系变化的影响.结果表明,环境压力会影响激波强度与爆轰波的传播速度,是决定双点激光点火形成的火核在碰撞过程中能否实现爆轰并维持爆轰波传播的重要因素,利用双激光点相互作用形成强反射激波,有助于实现可燃气的直接起爆;当环境压力在15~120 kPa之间时,火核的碰撞实现了直接起爆,流场中形成稳定传播的爆轰波;爆轰波锋面上横波的碰撞与三波点形成是维持爆轰传播的重要机制,随着环境压力的升高,爆轰波锋面三波点数量增多,横波的传播机制发生改变.

二元激光等离子体的时空演化机制研究

由于等离子体是激光诱导击穿光谱(LIBS)的光谱源,其内部粒子的分布结构将直接影响LIBS谱线的信噪比,因此研究等离子体粒子分布结构和动态膨胀过程对提高LIBS的定量测量精度具有指导意义。利用时间、空间、波长分辨的双波长差分成像技术分析激光诱导铝锡合金产生的二元等离子体,获取等离子体内各态粒子发射率的时空分布图像,以期探索不同激光支持吸收波(LSAW)类型的等离子体内各态粒子时空分布结构的演化机制。实验通过低、高激光辐照度的脉冲激光,分别构建了激光支持燃烧波(LSCW)和激光支持爆轰波(LSDW)型等离子体。通过观察等离子体的形态、内部结构、粒子分布、粒子寿命,结合元素的物理性质及谱线属性,分析了激光与金属及等离子体之间的相互作用,形成了二元激光等离子体的时空演化机制。结果表明:(1)激光辐照度会改变等离子体的粒子分布结构;(2)低辐照度激光诱导产生的LSCW型等离子体内部有明显的层状分布,激光主要吸收区位于蒸汽等离子体,此时粒子的寿命较短,分布结构主要依赖于元素熔点,低熔点元素会先从难混溶合金表面熔化并析出,分布于蒸汽等离子体顶部;(3)高辐照度激光产生等离子体的传播模型为LSDW型,其内部蒸汽等离子体与冲击气体层有很大的混合区域,激光主要被冲击气体层所吸收,此时粒子寿命延长,分布结构主要依赖于元素的相对原子质量。高激光辐照度会使难混溶合金表面烧蚀区域内的粒子同时汽化,粒子速度与相对原子质量的平方根成反比,即相对原子质量小的粒子飞行速度快,分布在蒸汽等离子体顶部。以上等离子体粒子分布结构的时空演化机制有望普适于其他元素甚至多元等离子体情形。

由激光靶冲量耦合实验结果判定激光支持爆轰波点燃阈值

根据激光吸收区等离子体组分与激光功率密度的关系判定激光支持爆轰波（LSDW）的点燃阈值。在激光靶冲量耦合实验的基础上,用悬摆动力学方程计算了激光支持爆轰波对铝靶冲量和冲量耦合系数;继而由靶冲量与激光吸收区膨胀介质（等离子体和气体）比热比的Jouguet条件,以及由二维流体动力学数值模拟获得的激光靶冲量随时间的变化过程,得到了激光吸收区介质的比热比随激光功率密度的变化情况,由此可得激光吸收区介质比热比随激光功率密度的增大而减少的结论;根据等离子体和气体比热比的差异定量分析了不同激光功率密度条件下激光吸收区气体和等离子体的构成。由等离子体含量随激光功率密度的变化关系得到了激光支持爆轰波的点燃阈值在（1.62±0.01）×10^8-（2.10±0.07）×10^8W/cm^2间的结果。

激光诱导等离子体加工石英微通道机理研究

利用调Q的Nd:YAG激光器输出的纳秒激光脉冲诱导等离子体加工石英微通道,显微镜下观察微通道深度可达4 mm,通道周围没有发现热裂纹,围绕通道内壁产生了固化层.研究了纳秒脉冲下固体材料损伤的电离机理.波长为1064 nm,光强不很强的纳秒脉冲作用时,光学击穿中等离子体的形成主要是雪崩电离的结果,利用雪崩击穿的阈值理论得到了等离子体形成模型,求出了等离子体形成范围,理论模型结果与实验结果基本相符.最后基于激光支持的爆轰波模型,利用流体力学理论求出了等离子体的温度、速度、压强等特征参数,并分析了微通道的特点.高温高压的等离子体烧蚀出石英微通道,等离子通过后,在冲击波压力作用下微通道内壁熔化的石英凝固形成固化层.

聚焦角度对空气中激光维持爆轰波的影响

吸气式激光推进的激光能量沉积过程主要发生在激光支持的爆轰波(LSD波)的形成与演化阶段,分析LSD波的传播规律和影响因素对揭示能量沉积机理起到基础性作用。利用纳秒四分幅高速相机和延长光路的纹影系统,拍摄了不同聚焦角度下CO2激光经透镜聚焦击穿空气流场的纹影照片,结合一维理论公式分析了LSD波速度。结果表明:在本文的实验条件下,吸气式激光推进击穿空气经历了LSD波和激光支持的燃烧波(LSC波)两个阶段,LSD波阶段的持续时间约7.1μs;3种聚焦角度下LSD波速度与理论公式预测的整体趋势比较吻合;聚焦角度越小,LSD波的初始速度越大,聚焦角度θ=4.29°时实验数据达到约14km/s。

声学法判断金属铝板靶激光支持爆轰波的点燃阈值

基于声学法对1064和355nm激光脉冲作用金属铝板的激光支持爆轰波（LSDW）点燃阈值进行了研究，理论分析了激光等离子体声波压强与冲击波的膨胀速度关系，歼展了1064nm和355nm激光作用铝板靶的实验研究。实验结果表明等离子体声波存在时间为毫秒量级，其峰值强度呈指数衰减趋势。实验发现激光作用铝板产生的等离子体声波信号幅度随激光功率密度的增加而增加，但是在激光功率密度增加的过程中等离子体声波峰值强度出现两次跃变，由此判断出1064nm和355nm激光产生的LSDW的点燃阈值范围分别为（3．95～13．05）×10^8W/cm^2和（3．14～10．07）×10^8W/cm^2。分析了激光波长因素对LSDW点燃阈值的影响。