背景气体中激光Al等离子体演化的干涉诊断研究

利用自主搭建的马赫-曾德尔激光干涉诊断系统研究了空气压强在1 atm和0.1 atm以及氩气在1 atm下纳秒脉冲激光烧蚀产生Al等离子体的冲击波膨胀和电子密度演化.从测量的干涉图中提取了等离子体冲击波的膨胀轮廓,诊断了等离子体的电子密度.研究结果表明,在空气背景气压为0.1 atm时,等离子体冲击波轮廓和速度都较大;而压强在1 atm时,氩气环境中等离子体冲击波的膨胀速率和轮廓均较小.空气环境在0.1 atm下,冲击波的横向膨胀速度在50 ns时达到了约3.4 km·s^(-1),但随着延迟时间的增加快速衰减,5μs后,3种情况下的冲击波均接近声速.此外,空气环境0.1 atm下等离子体空间区域较大,整体电子密度较低;而氩气环境在1 atm下,等离子体空间区域较小,整体的电子密度较高,在300 ns时核心区域电子密度达到了10^(18) cm^(-3).结果进一步显示了背景气压对等离子体膨胀约束具有主导作用,而压强相同时,氩气环境对等离子体的约束要强于空气环境.

激光等离子体冲击波清洗中的颗粒弹出移除

针对激光等离子体冲击波清洗颗粒技术中的滚动移除机制缺陷,提出一种基于颗粒弹性形变的弹出移除模型。从冲击波与颗粒相互作用出发,考虑冲击波波后气体分子与颗粒的碰撞,结合颗粒弹性储能机制,得到弹出所需要的最小弹性形变高度。根据颗粒弹出所需最低速度和冲击波基本关系式得到满足颗粒弹出要求的冲击波马赫数,结合冲击波波后压强分布特点给出了颗粒弹出所需的外部条件。清洗实验证实了颗粒弹出移除机制的正确性。

脉冲激光等离子体冲击波碎石机理分析

利用自行研制的Ｎｄ∶ＹＡＧ激光器产生的纳秒和微秒激光脉冲，分别在水中和空气中对几种人体结石进行了粉碎实验，激光被耦合到芯径为４００μｍ的石英光纤中，耦合效率达７０％．实验研究和分析计算表明脉冲激光等离子体冲击的产生是激光碎石的主要动力，而热分解作用只是促进了等离子体的形成并不是粉碎结石的主要原因，体液冲流和周围介质对等离子体的约束加速了碎石过程，脉冲激光碎石的过程是这几个方面共同作用的结果．

Compton散射下的强激光等离子体冲击波对固体的热烧蚀效应

应用多光子非线性Compton散射理论，研究了Compton散射下的强激光等离子体冲击波对固体的热烧蚀效应，给出了冲击波功率密度与靶材熔化温度及沸腾温度与加热时间的表达式，得到了冲击波照射靶材烧蚀孔的最佳实验条件。结果表明：固体的生热率提高，温度分布发生变化，作用点达到熔化和沸腾温度所需时间和功率比无散射时小。当冲击波能量为250J，到靶面的距离为70～80mm时，对靶材烧蚀孔的效果较好。当时间为1．2～3．6ms，到靶面的距离为28～80mm时，烧蚀效果较好；当能量密度为400～2800J·cm^-2时，烧蚀深度成较差的线性增加，功率密度与烧蚀斑尺寸近乎成反比。

激光熔蚀过程中等离子体冲击波压缩层能量演化

从冲击波基本性质出发,在冲击波压缩层内物质密度均匀的前提下,结合流体力学守恒方程得到冲击波压缩层的机械能通用表达式。继而,分析了激光等离子体球面衰减冲击波情况下冲击波压缩层机械能演变,发现压缩层内的机械能随着冲击波的外向传播出现增大;进而提出波后等离子体区域可能存在其他储能机制,该能量在不断向外界输送能量。最后通过铝靶熔蚀实验,证实了等离子体区域内存在电场能。

用于探测激光等离子体冲击波的光纤传感器(英文)

利用探测光束通过轴对称流场时的偏折效应 ,设计了一种光纤传感器 ,并用于探测激光对材料破坏过程中在空气中激发的等离子体冲击波 ,获得了探测位置处激光等离子体冲击波流场折射率随时间的变化率。该方法适用于轴对称流场的瞬态测试 。

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。

Nd∶YAG激光诱导等离子体冲击波实验及对晶状体破坏的研究

测试了利用调Q的Nd∶YAG脉冲激光在水中诱导金属钛产生等离子体冲击波的声压和速度。并利用自行研制的激光乳化系统,对离体猪眼晶状体经硬化处理摹拟白内障进行乳化试验。实验结果表明Nd∶YAG激光等离子体冲击波能对一定硬度的晶状体进行乳化,有可能成为白内障乳化的一种能量源。

CO_2激光和等离子体清洗提高石英基片损伤阈值

采用连续CO2激光和真空等离子体相结合的方法对石英基片进行清洗。通过光学显微图、水接触角、透过率和损伤阈值测量分别表征了CO2激光和等离子体对真空硅脂蒸发物污染过的石英基片的清洗效果。研究表明:对于真空硅脂蒸发物污染后的石英基片,可以先采用低能量的CO2激光进行大面积清洗,再用真空等离子体进行精细清洗。光学显微图像表明:清洗后的基片表面的油珠被清除干净;水滴接触角由63°下降到4°;在400 nm附近,基片透过率由92.3%上升到93.3%;损伤阈值由3.77 J/cm2上升到5.09 J/cm2。

铝合金焊前激光清洗的等离子体光谱在线检测

铝合金焊接技术在工业生产、制造和维修等领域有广泛的应用,焊缝内存在气孔导致焊接质量降低是铝合金焊接技术的常见问题。由于铝合金表面金属氧化物是导致气孔生成的主要来源,对激光清洗过程进行在线检测,不但可以实时分析表面氧化物的清洗状态,而且可以避免基体表面因为过度清洗造成损伤或二次氧化。提出采用激光诱导等离子体光谱(LIBS)在线检测铝合金焊前激光清洗过程,表征清洗后铝合金基体的表面状态。LIBS技术可以对多元素成分同时检测,拥有较低的检出限和较高的准确性。搭建基于Andor Mechelle 5000光谱仪的铝合金焊前激光清洗在线检测系统,剔除空气环境对实验结果的影响,测试6061铝合金表面氧化物和铝合金基体的LIBS光谱,分析两者独特的元素特征谱线,采用X射线能谱(EDS)测试结果验证元素特征谱线的准确性,并探讨激光清洗过程LIBS技术在线检测的可行性。实验测试等离子体光谱谱线强度与激光能量密度之间的关系,获得单次脉冲激光去除铝合金表面氧化物的损伤阈值,结合X射线能谱的检测结果研究激光损伤阈值的成因及影响。研究激光清洗过程等离子体光谱特征谱线与脉冲次数之间的关系,提出基于O/Al特征谱线强度比值作为在线检测清洗效果及二次氧化损伤的评判依据。为验证该评判依据的准确性,将O/Al特征谱线强度比值随清洗次数的变化趋势与X射线能谱测试获得的氧元素原子百分比变化趋势进行对比。实验结果表明:采用200~700 nm范围内激光诱导等离子体谱线特征分析激光清洗状态,可以剔除空气环境的影响;氧元素和铝元素特征谱线准确反映出表面氧化膜与铝合金基体的成分差异;X射线能谱检测元素成分和含量表明氧元素含量随着激光清洗能量密度先减后增,单次清洗铝合金的二次氧化损伤的激光能量阈值为11.46 J·cm-2,小于损伤阈值的激光能量密度对铝合金基体的多次清洗未造成损伤,等离子体光谱特征谱线强度与表面清洗状态相关, 656.5 nm(OⅡ)/396.2 nm(AlⅠ)谱线强度比值≤1.5%为激光清洗干净的依据。研究结果有利于铝合金的激光清洗实时控制技术和焊接装置集成化。

基于等离子体光谱特征的空气中激光铁块清洗的研究

利用高能Nd:YAG脉冲激光器产生的1.06μm激光,在空气环境下作用于带有严重锈层的铁块诱导产生等离子体,利用改进型ME5000中阶梯光栅光谱仪获得激光冲击铁块等离子体特征发射谱线.实验结果表明,由于样品中包含部分杂质,需激光连续作用且能量到达一定要求,才能与铁作用激发原子谱线;激光分解杂质后,等离子体谱相对强度明显增强,比较首次激光作用和清洗过程中的光谱图,当563.40nm波长处特征谱线强度增大443.11%时,锈蚀铁块已清洗干净,洗净率达99.84%;同时清洗过程中的谱线起伏度也明显降低.因此,分析首次激光作用和清洗中的光谱图,观察标线铁原子谱线分布及相对强度的变化,可以判断样品是否清洗干净.

碳纤维复合材料的激光清洗等离子体光谱在线检测研究

近年来碳纤维复合材料(CFRP)由于性能优异,受到工业领域广泛关注。采用激光清洗技术预处理碳纤维复合材料表面的污染物和环氧树脂等杂质,有利于改善碳纤维复合材料表面性能,提高碳纤维复合材料胶接界面的结合强度。在线检测激光清洗过程,实时判断碳纤维复合材料的表面清洗质量,是保证激光清洗效果的关键环节,也是激光清洗装置自动化、集成化的核心技术。激光诱导等离子体光谱技术可以快速分析材料表面元素变化,实现在线检测激光清洗表面状态,在激光清洗领域有很广的应用前景。采用Nd∶YAG高能量脉冲激光器产生的1 064 nm激光在空气环境中诱导产生等离子体,利用改进型光栅光谱仪(ME5000)获取等离子体光谱,在线检测激光清洗碳纤维复合材料。研究外界空气环境对等离子体光谱检测结果的影响,发现350~700 nm波段的元素谱线可用于碳纤维复合材料表面物质成分分析;采用电子扫描显微镜观测的激光清洗表面形貌和X射线电子能谱仪测得的元素变化共同表征等离子体光谱检测的有效性,通过采集不同激光能量以及不同作用次数的等离子体光谱图,获得碳纤维复合材料表层树脂物质通过激光单次清洗干净的阈值,研究激光清洗质量与激光诱导等离子体谱线成分及其强度变化的关系。结果表明:在获取的激光诱导等离子体光谱中,光谱图中谱线波长在393.3 nm的S(Ⅱ)和589.5 nm的S(Ⅱ)谱线可有效在线表征碳纤维复合材料表面清洗质量;激光单次去除干净表面环氧树脂的阈值为10.68 mJ;低激光能量时需要清洗多次可以去除干净表面树脂;高激光能量时清洗单次可使表面树脂去除干净,多次清洗易造成基体损伤。实验结果为激光清洗碳纤维复合材料的智能集成化应用提供工艺依据和技术支持。

光束偏转法自动测试激光等离子体冲击波系统的研制

根据光束偏转原理 ,研制了激光等离子体冲击波自动测试系统的硬件和软件 .该系统使用计算机与可编程序控制器作为上下位机 ,采取上下位机通讯的方式控制步进电机及二维移动架的移动 ,以改变探测光的相对位置 ,并利用单模光纤和光电倍增管将探测到的光偏转信号传入数字示波器进行存储 ,最后计算机将示波器中采集到的光偏转信号进行分析处理 .使用该系统对激光等离子体冲击波的衰减过程进行了实际测试 。

表面放电等离子体产生冲击波特性

采用压力传感器,分析XeF(C→A)激光器高电压表面放电光泵浦方式不同位置、不同放电电压条件下冲击波特性。研究结果表明,表面放电等离子体膨胀产生的冲击波持续时间为ms量级,在冲击波过后伴随有相对较弱的压力波。随着充电电压增加,放电过程释放能量增多,冲击波峰值压强也变大,最大压强可达1 MPa,同时冲击波峰值延后,冲击波持续时间变长。

空气中激光清洗过程的等离子体光谱分析

在空气环境下,激光诱导等离子体光谱用于激光清洗状态的在线分析快速而准确。该文利用中阶梯光栅光谱仪探测脉冲激光器作用于干净及表面污染的铜币样品产生的等离子体光谱谱线,这些谱线中不但包含了清晰的铜原子发射谱线,还包含空气中氧气和氮气与激光作用产生分解效应的原子谱线。为了消除单次测量的不确定性,分析了多次测量的分布恒定的氧原子和氮原子谱线的统计规律,表明强度分布规律一致,且相对标准差基本相同,可以采用单次测量的光谱图变化表示清洗过程中状态。表面污染的铜币光谱图中包含多元素原子谱线和连续谱线,清洗干净铜币的光谱图连续谱线消失且只有铜元素谱线,观察谱线变化就可以表明样品是否被清洗干净。

功率密度对等离子体冲击波力学效应的影响

为了研究入射激光功率密度对等离子体冲击波力学效应的影响,利用波长1.06μm,脉冲能量42mJ^320mJ,脉宽10ns的Nd∶YAG激光作用在Al靶上,研究了冲量耦合系数Cm和激光功率密度I0的关系。实验发现靶材在离焦度χ不同时,Cm和I的变化关系相似,而对应的最佳功率密度明显不同。在功率密度由低慢慢升高过程中,冲量耦合系数先随功率密度升高而增加,升到最大值后随功率密度增加而减小。通过分析激光等离子体的吸收作用和离焦度不同时激光和靶相互作用机理的不同,认为Cm出现峰值主要是受等离子体屏蔽效应的影响,稀疏波的作用使得焦斑处最佳功率密度最大,而焦斑处空气击穿消耗能量导致焦后Cm峰值减小。

激光等离子体冲击波模拟

建立了理论模型,分别计算了激光脉冲为93 J和165 J时的冲击波参量,结果表明:模拟93 J的激光脉冲在真空环境中产生一次冲击波和二次冲击波的气流温度相对文献[1]数据的偏差分别约为62.6%和49.7%,不符合实际情况;当激光脉冲提高到165 J时,除了一次冲击波的气流速度受真空环境影响相对偏差约为36.2%以外,其他参量的相对偏差不足30%或没有相对偏差,说明模型可用于估算高能激光产生冲击波的参量。

激光等离子体对硅表面微纳粒子除去机理研究

激光等离子体对精密元件表面微纳米粒子的有效去除,在纳米科研领域中有很大的应用潜力。为了深入研究激光等离子体对微粒的去除机理和条件,采用纳秒脉冲激光等离子体,对硅基底表面的微纳米粒子进行去除实验,观测了微粒的去除效果,并理论分析了等离子体的作用效应。结果表明,等离子体向外辐射宽谱光,紫外短波部分加速周围空气电离,使等离子体体积剧增,并有效提升基底和粒子温度;基底与粒子两者热膨胀度不同,使粒子更易于从基底剥离;同时等离子体向周围膨胀扩散形成高压冲击波,冲击波的压强高达GPa量级,可以克服微粒与基底之间的范德华力,而去除微纳米粒子,尤其对粒径大于0.5μm的去除效果尤其明显;在实际去除过程中,等离子体与基底的距离应该保持在0.2mm^2mm之间,这样既保证了微粒的有效去除,又不会造成基底的损伤。激光等离子体对微粒的去除效果明显,是等离子体辐射效应和冲击波效应的综合作用的结果。

CO_2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CO_2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。

激光支持等离子体爆轰波流场研究

采用高速纹影摄影法记录激光支持等离子体爆轰波流场的演化,得到流场冲击波阵面形状和尺寸随时间变化规律。建立激光支持等离子体爆轰波流场演化的物理模型,采用计算流体力学方法模拟计算激光击穿空气后,激光作用时间内及激光作用结束后等离子体流场演化过程。结果表明,纹影摄影法能有效观测到激光支持等离子体爆轰波的传播情况。等离子体爆轰波在激光作用初期为椭球形,随着时间的增加逐渐转变为球形。计算的等离子体爆轰波流场密度分布图与实验结果基本吻合。