空气中激光支持爆轰波实验及理论分析

为了研究激光击穿空气产生的等离子体爆轰波形成机制和传播规律,利用高能量CO2激光器产生强激光,进行了空气中产生激光支持等离子体爆轰波实验。实验中:设置了诱导靶板,用于诱发和定位空气中的激光支持爆轰波;以激光器升压过程球隙放电产生的光信号作为触发源,触发高时间分辨率(纳秒级)的高速相机,记录了激光支持爆轰波的成长和传播全过程。分析了激光支持爆轰波的形成机理和传播规律。采用C-J爆轰理论,计算了激光支持爆轰波的压力和温度。研究结果表明:激光支持等离子体爆轰波形成初期,等离子体爆轰波发光体为球形;随着时间增加,等离子体爆轰波发光体的形状类似流星,且头部为等离子体前沿吸收层,亮度较高,而尾部等离子体温度较低,亮度较弱。等离子体爆轰波高速向激光源的方向移动,爆轰波速度高达18 km/s,温度约为107K。随着激光强度的减弱,爆轰波速度迅速按指数规律衰减,当爆轰波吸收的激光能量不能有效支持爆轰波传播时,爆轰波转变为冲击波。

气相爆轰波反应区结构的平面激光诱导荧光测量

基于平面激光诱导荧光(PLIF)技术对2H_2+O_2+10Ar的预混气体爆轰波反应区结构进行实验研究.采用高浓度的氩稀释有利于减小爆轰化学反应自发辐射光对OH荧光的影响.合理设置PLIF系统、爆轰波和ICCD之间的同步控制触发延时,得到爆轰波阵面附近的OH荧光分布图像.结果表明:诱导激波后反应阵面不是平面且不稳定.荧光图像上能清晰地看到类似拱顶石的结构,它位于两马赫杆之间,以入射激波、剪切层和反应阵面为边界.无论是在马赫杆后还是在入射激波后,OH浓度分布在诱导区末端急剧增加至最大值.随着离开反应阵面的距离增加,OH浓度快速减小.由于爆轰模式和激光片光方向的影响,从PLIF图像上测得的横波间距值较离散,均小于胞格宽度.

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。

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。

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。

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。

激光支持等离子体爆轰波温度的实验测量

高能量激光聚焦空气产生等离子体,等离子体进一步吸收激光能量会形成激光支持等离子体爆轰波。等离子体爆轰波温度是表征爆轰波的一个重要参数,研究等离子体爆轰波温度对于深入了解激光支持等离子体爆轰波形成机理有重要意义。分析了激光聚焦空气形成等离子体爆轰波过程和影响等离子体爆轰波温度的主要因素。采用多通道瞬态光学高温计,测量了不同激光发射能量下空气中形成的激光支持等离子体爆轰波的辐射强度,获得了一系列等离子体爆轰波温度动态变化曲线。测量结果表明:等离子爆轰波温度在随时间演化过程中出现3个峰,最高温度在7 000~10 000 K范围内;激光能量与等离子体爆轰波温度没有明显的相关性。

激光支持爆轰波的仿真研究

采用了爆轰波的C-J起爆模型,计算了激光支持爆轰波初始参数,得到激光功率密度与爆轰波波面初始参数的关系。利用流体力学的方法建立爆轰波在靶与约束层双重约束作用下的二维辐射膨胀模型,用Fluent软件进行仿真研究,得到了激光冲击强化后不同时间对应的爆轰波压力和轴向速度分布,仿真结果与激光冲击强化GH742试件后表面残余应力分布的实验结果一致。

三脉冲激光支持爆轰波打孔实验

激光支持爆轰波在航天推进,激光微加工等领域具有广泛的应用前景。本文通过改进调Q技术,在一次氙灯泵浦的时间内输出3个强脉冲,对铝靶材进行打孔实验.研究结果表明:三脉冲激光对铝材料烧蚀,产生空洞结构,材料在三脉冲激光产生的爆轰波作用下被充分消融并向空洞结构四周扩散,沉积。

大板实验中TATB基炸药爆轰波的传播特征

为研究点起爆条件下TATB基炸药爆轰波传播特征,用双灵敏度激光速度干涉仪(VISAR)对TATB基炸药进行了大板实验研究,并用DYNA2D程序对实验进行了模拟计算。结果表明,大板实验中TATB基炸药爆轰波传播过程中的压力剖面具有“二维结构”,且爆轰波传播方向由轴线方向逐渐向半径方向转变。实测铜飞片自由面的速度与计算值相吻合。

激光等离子体爆轰波血栓推进机理的数值模拟研究

水下激光等离子体爆轰波能够作用于微球表面产生推力进而推动微球运动。本课题组依据水下激光等离子体爆轰波的作用机理,提出了激光等离子体爆轰波定点清除血栓的方法。以血液为介质建立血管血栓模型,采用光纤激光器作为动力,进行激光等离子体爆轰波血栓推进的机理研究及数值模拟。结果显示:激光等离子体爆轰波对血栓表面有一定大小的强推力作用,能量为20μJ的激光对直径为2 mm的下肢静脉血栓表面的峰值推力可以达到1.0 N,而且峰值推力的大小取决于激光能量以及血栓的尺寸和形状。水下光纤激光等离子体推进微球和团簇实验进一步证明了激光等离子体爆轰波定点清除血栓和打散团簇的可行性,为聚集型血栓团簇的定点清除提供了一种可行方法。

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。

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。

激光驱动飞片的动量耦合模型研究

激光驱动飞片技术在动高压加载和模拟空间高速粒子运动规律等实验中有重要的应用价值。而激光与飞片的动量耦合模型研究是激光驱动飞片技术的重要内容之一,其实质是激光与物质的作用规律的宏观表征。以激光支持爆轰波(LSDW)理论为基础,建立了约束条件下激光驱动飞片的动量模型,模型考虑了激光功率密度、脉宽、聚焦焦斑、侧向稀疏波、飞片表面气体参数、飞片面积等因素的影响,比较全面地反映了LSDW对飞片的力学作用特性,理论计算结果与参考文献结果吻合较好,误差不超过25%。

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。

爆炸和冲击工程力学近期研究进展

简要回顾了中国科学技术大学近代力学系工程力学学科的发展概况和研究特色,并重点对该系近十几年来在爆炸和冲击工程力学方面的若干研究进展进行了综述,同时对未来的若干研究方向进行了展望.

基于激光驱动的飞片速度的理论计算

飞片速度是激光冲击片雷管设计中必须考虑的关键参数之一,对其准确快速地预估一直是火工品设计者追求的目标。为此,基于激光诱导爆轰波理论为基础,通过建立激光-靶耦合的力学模型,提出了一种新的飞片速度的计算方法,克服了传统方法分析参数单一的不足。采用该算法,定量分析了激光参数(功率密度、脉宽和焦斑直径)和飞片结构参数(飞片半径和厚度)对飞片速度的影响规律,结果表明:飞片速度与激光功率密度成递增关系,而与脉宽和光斑直径则在局部范围内成递增关系;对于飞片半径和厚度来说,则呈现递减规律。

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。