高斯与平顶光束纳秒脉冲激光物质蒸发烧蚀动力学仿真研究

基于建立的纳秒脉冲激光与金属铝相互作用的二维轴对称模型,仿真研究了光束整形对纳秒脉冲激光烧蚀金属铝过程中蒸发烧蚀动力学的影响.结果表明:等离子体屏蔽对靶材的烧蚀特性具有显著影响,屏蔽效应主要体现在脉冲的中后期.对于3种激光轮廓,高斯光束的屏蔽效果最强,随着整形后的平顶光束直径的增大,屏蔽效果逐渐减弱.平顶光束与高斯光束作用下,靶材温度的二维空间分布较为不同.高斯光束作用时,靶材中心最先升温,随后温度沿径向和轴向扩散.由于平顶光束的能量分布更加均匀,因此一定径向范围内的靶材同时升温.光束整形对靶材的蒸发烧蚀动力学影响较大.对于高斯光束,靶材中心先烧蚀,随后产生径向烧蚀.由于整形后平顶光束的能量密度降低,因此靶面蒸发时间较高斯光束延后,并且一定径向范围内的靶材同时发生蒸发烧蚀.3种激光轮廓下,靶材的蒸发烧蚀形貌与光束的强度分布类似,其中高斯光束的烧蚀坑呈中间深两边浅的特点,平顶光束的烧蚀坑较为平坦.

海陆过渡相三角洲沉积体系陆源有机质沉积特征及其影响因素的模拟实验研究

【目的】海陆过渡相三角洲沉积体系由于油气成藏条件优越,广泛发育陆源海相烃源岩,陆源有机质是其主要的母质来源。为了探究海陆过渡相三角洲沉积体系中陆源有机质的沉积特征及其影响因素,开展了陆源有机质沉积模拟实验。【方法】通过碳硫分析仪检测总有机碳含量,结合3D激光扫描技术,实现了实验条件下陆源有机质搬运沉积过程的动态定量表征。【结果】(1)在三角洲平原,陆源有机质主要在河道漫溢处、废弃河道、砂坝背流面等部位局部富集,剖面上主要以透镜型、断续型、互层型分布;在三角洲前缘和前三角洲,有机质平面上呈席状展布,剖面上以厚度较大的条带型分布;(2)陆源有机质在缓坡三角洲体系搬运距离较远,随着三角洲沉积厚度逐渐增大,三角洲初始坡度对陆源有机质搬运距离的影响减小;(3)水动力强度和波浪是影响有机质搬运距离的重要因素,水动力越弱越有利于有机质的沉积,在三角洲平原低能环境中存在有机质局部富集区。波浪会阻止有机质向前搬运并在三角洲前缘形成多个砂坝,有机质沉积于坝间凹槽呈环带状;(4)在海陆过渡相三角洲沉积体系内,从三角洲平原到三角洲前缘—前三角洲区域的有机碳含量逐步升高,进入陆架区,随着搬运距离的继续增大,有机碳含量减少。【结论】通过深入研究陆源有机质的富集部位和影响因素,建立了水槽实验模式下陆源有机质沉积模式,这对海陆过渡相三角洲沉积体系的油气探勘开发提供了重要的依据。

海水表层叶绿素a及悬移质浓度的激光雷达初步探测实验研究

针对海水表层叶绿素a和悬移质浓度在线监测的实际需求,设计并研发了一套双视场海洋激光雷达系统。首先利用实验水槽,在实验室开展了叶绿素a浓度测量实验,其结果与叶绿素荧光计/浊度计测量结果的相关系数为0.94,且不同激光发射能量下测量的叶绿素a的浓度值与叶绿素荧光计/浊度计的结果也趋于一致;同时对不同粒径的悬移质浓度进行了测量,其结果与叶绿素荧光计/浊度计测量结果的相关系数优于0.91。进而利用海洋激光雷达对青岛近海海水表层叶绿素a和悬移质浓度进行了现场观测,其测量结果与叶绿素荧光计/浊度计测量结果的相关系数分别为0.74和0.86,初步验证了自研海洋激光雷达应用于海水表层叶绿素a与悬移质浓度探测上的可行性。

典型气溶胶颗粒对激光大气传输的作用机理

气溶胶颗粒影响紫外光通信和红外光通信。选取0.28μm、1.55μm和3.8μm三种波长激光,沙尘、霾、煤烟、雾四种气溶胶颗粒,研究不同种类气溶胶颗粒对激光大气传输的影响。结果表明:复折射率虚部较大的颗粒对入射光能量的吸收不受激光波长影响;复折射率虚部较小的颗粒对0.28μm波长激光有强烈的散射作用,几乎不存在吸收作用。颗粒尺寸影响散射光能量分布,大尺寸颗粒前向和后向散射光能量之差为103~104。在待测颗粒的侧向90°和后向120°散射角位置,探测器便于区分不同尺寸颗粒的散射光能量。该研究有助于理解气溶胶颗粒对激光大气传输的影响。

二维情形下组合激光辐照45^#钢靶温升效应的模拟

基于组合激光的新概念,对重频激光与连续激光组合辐照下钢靶的温升进行了数值计算。根据实验测得的钢靶对1.06μm连续激光的反射率随温度的变化曲线,通过求解二维轴对称热传导方程,比较了不同组合参数下钢靶的温升以及能量利用率,分析了组合激光的优势所在。计算结果表明:平均功率密度相同时,组合激光要比连续激光的加热效率高,加热效率还与组合激光中重频激光的各种参数相关,重频激光占空比为1%且峰值功率密度保持不变时,加热效率随着重频率的减小而增高。

激光辐照下金属圆板温升的数值模拟研究

根据实验测量得到的钢靶表面能量耦合系数随温度的变化规律,使用两种不同的数值计算方法计算了连续激光辐照下45#钢靶的温升过程。结果表明,在ANSYS有限元软件中可以使用生热率载荷来模拟材料表面能量耦合系数随温度变化的问题,实际应用中必须考虑能量耦合系数随温度的变化才能准确估计目标的温度场演化规律,本文的计算方法可以推广至三维情形。

1.319μm处45#钢反射率随温度变化的实验研究

使用积分球系统测量了1.319μm处45#钢反射率随温度的变化规律,通过对实验后钢片表面的能谱分析,揭示了反射率发生变化的原因。测量结果表明,钢片温度从常温升高至325℃时,表面反射率不会发生显著变化;在325℃到395℃之间,反射率从0.64降低到约0.15;在395℃与440℃之间,反射率不再发生明显变化;钢片降温过程中反射率不再发生明显变化,其值与最高温度处的数值基本相同。反射率的变化主要源于钢片表面发生的氧化反应,温度越高,氧化反应越剧烈,表面氧元素的含量就越高,反射率也就越低。

组合激光辐照Q235钢靶的实验研究

基于组合激光的新概念,采用1053nm脉冲激光、1064nm重频激光,实验上研究了组合激光对Q235钢靶的辐照效应。表面能谱分析和表面反射率测量结果表明:随着1053nm激光对钢靶辐照脉冲数目的增多,表面逐渐氧化,导致表面反射率降低;辐照脉冲数目增大到一定程度后,氧化反应完全,反射率不再发生明显变化。1064nm激光辐照钢靶的温度场测量结果表明:采用高功率脉冲激光对钢靶表面进行一定程度的预辐照,能够大幅提高目标靶对后续激光的吸收能力。

激光辐照下金属/炸药结构三维温度场的数值模拟

根据实验测量得到的钢靶表面能量耦合系数随温度的变化规律,考虑金属材料的物性参数随温度的变化及表面发生的熔凝过程,建立了连续激光作用下金属/炸药结构内部三维温度场分布的有限元计算模型,分析了金属壳体厚度对计算结果的影响及炸药热爆炸的可能性。计算结果表明,金属壳体越厚,炸药能够获得的温升越小,其热引爆也就越发困难。在有限的辐照时间内,炸药仅在与金属接触的一个小区域内温升明显,其他部分温升不大,停止激光辐照后,由于结构内部有温度梯度存在,会继续发生热传导,使得整个结构朝着热平衡的方向发展,从而对炸药的温升有利。

脉冲激光烧蚀铝合金靶的实验研究与数值模拟

通过实验测量与数值模拟的紧密结合,研究了毫秒级脉冲激光对铝合金板的烧蚀效应。实验研究方面,测量了1053 nm固体脉冲激光辐照下,铝合金单板的烧蚀过程及温升规律。数值模拟方面,采用完全喷射烧蚀模型,建立了金属靶温度变化及烧蚀的数值模型。数值模拟结果与实验结果相符较好,表明所建立的二维轴对称烧蚀模型可以近似描述实验中的烧蚀效应。本文建立的数值模型亦可推广至三维情形。

自然对流情形下激光辐照液体贮箱的尺度律

根据质量守恒、动量守恒及能量守恒原理,建立了自然对流情形下激光辐照液体贮箱的理论模型。通过方程分析法,导出了该问题的尺度律,在此基础上给出了激光辐照液体贮箱的缩比方法,并对一组实例进行了数值计算,得到了缩比模型与原型结果完全相似的结论,模拟结果证明了该问题尺度律的成立。为验证理论模型与数值求解的正确性,本文还针对小尺度模型进行了实验研究,数值模拟结果与实验测量结果符合较好,表明理论模型可靠有效。

水体中溶解有机物的特性与测量

系统评述了水体中溶解有机物的特性及测量方法。介绍了水体中溶解有机物的研究概况,指出了开展水体中溶解有机物定量监测的必要性;详述了水体中溶解有机物的激光诱导荧光测量方法、对水体中有机物荧光光谱进行分析的特征光谱荧光标记技术和荧光强度归一化处理技术,以及利用激光诱导荧光方法测量水体中溶解有机物浓度的标定方法;综述了多种因素对利用激光诱导荧光方法测量的影响。

气流环境中激光烧蚀铝靶的数值模拟研究

建立了切向气流环境中连续激光烧蚀金属靶的二维轴对称物理模型,利用有限元软件ANSYS中的参数化设计语言APDL编制程序进行数值求解,使用"杀死"单元的方法实现靶目标边界退移的烧蚀和热传导耦合计算,从而对烧蚀尺寸的变化给出了定量描述。计算结果表明,相比于均匀分布,当激光呈高斯分布时,目标靶中心能够得到更高的温升,也就更容易发生烧蚀,靶的熔穿时间也就越短。本文建立的模型可以方便地推广至三维情形。

双原子分子多光子电离强场效应的含时波包动力学研究

强激光非线性条件下分子的多光子电离过程呈现出较为明显的强场效应.由于这种效应不能用传统的量子微扰论来处理,“缀饰态”模型方法提供了物理图象清晰的处理光与物质相互作用的方案.本文基于含时波包动力学的基本理论,将激光场看作经典场,利用“缀饰态”模型研究了强场下双原子分子(NO、RbI等)的多光子电离过程.研究表明,激光场的强度、泵浦-探测脉冲延迟时间等对多光子电离光电子能谱的形状有着重要的影响,而这种影响是由光诱导势引起的.另外,在研究具有两个连续态的RbI体系时,自电离现象的发生也与势能面的交叉密切相关,并受外场强度的影响.本文计算模拟外场中分子的光电子能谱时所得到的强场效应对理解和实现原子分子过程的激光操控具有重要的意义.

激光光固化快速成型用光敏树脂的研制

针对532nm绿光激光器找到了一种固化良好的光固化体系,并对光敏树脂各组分进行优化实验设计,找出最佳的配比和用量。优化后树脂具有光敏性能好、体积收缩率低、力学性能较好、粘度较低等特点。

玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)现象的研究

玻色 -爱因斯坦凝聚 (BEC)的研究是当前物理学研究的一个新热点 ,国内外许多学者都开展了研究 .为探讨有关 BEC的普遍性质和规律以及影响 BEC的主要物理因素 ,我们研究了任意空间维数下 ,处于任意幂函数型外势约束中具有不同运动特征的玻色气体和费米气体的性质 .导出量子态密度、巨势及其它热力学函数的普遍解析表达式 ,提出赝体积和普遍热波长等新概念 ,首次求得有外势约束的玻色气体的态方程 ,并揭示了 BEC的一些新性质和确立了有关 BEC的两个新判据 ,同时还发现了 N0 / N～ T/ TC 曲线必为凸型的新规律 ,等等 .所得结果有助于深入了解 BEC这种新物态的特性 ,并为实验选择最佳外势阱的形式及其它物理参数提供一些新的理论依据 .此外还简要地介绍了国内外研究动态与进展以及本研究的前景 .

1053nm脉冲激光对铝合金/水结构辐照效应

使用1 053 nm脉冲激光分别辐照铝合金单板和铝合金/水结构,通过表面形貌观察、温度场分析、熔穿时间测量等手段,分析了水的存在对铝合金壳体烧蚀的影响。运用有限元软件ANSYS,建立了脉冲激光辐照下单板及结构温度变化的数值模型,计算了铝合金表面熔凝区域的尺寸,并与实验结果进行了对比。结果表明:在相同的实验条件下,辐照8个激光脉冲时,铝合金单板即被熔穿,而辐照10个脉冲后铝合金/水结构仍未发生熔穿,且结构中铝合金表面的熔凝区域要小于单板情形中的熔凝区域,这表明水的存在对延缓铝合金板的烧蚀有较大的作用。对于单板情形,计算结果与实验结果符合较好,而对于铝合金/水结构情形,数值模拟放大了铝合金壳体的温升,这主要是因为数值模拟程序未考虑水的对流及沸腾换热对计算结果的影响。

金属/炸药结构在组合激光辐照下装药点火的数值模拟

基于组合激光的新概念,对重频脉冲激光与连续激光组合辐照下金属/炸药结构的温升、炸药的热点火规律进行了数值计算。根据一维热传导方程与炸药放热反应理论,考虑金属表面能量耦合系数及物性参数随温度的变化,计算了不同组合参数下金属/炸药结构的温升以及炸药的热点火时间,初步探讨了组合激光的优势。结果表明:在金属表面不发生相变的情形下,在连续激光中加入适当比例的重频脉冲激光,能够提高目标对激光能量的利用效率,增大目标的温升,加快炸药的点火。在平均功率密度相同时,辐照相同的金属/炸药结构使其点火,组合激光所需时间要比连续激光少,且随着金属层厚度的增大其优势更加明显。

KrF准分子激光刻蚀PMMA研究

为了研究准分子激光刻蚀聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的内在机理,将波长为248nm的KrF准分子激光垂直照射到PMMA材料表面,改变激光能量和脉冲数目,在大气背景下进行实验,照射后样品的表面形貌及化学结构用扫描电子显微镜(SEM)、3维形貌分析仪、X射线光电子能谱(XPS)等手段进行分析。SEM测试表明,在刻蚀区域出现孔状结构,说明刻蚀过程中有气体成分产生。XPS测试表明,激光照射后C1s峰的强度减弱而O1 s峰增强,据此推测PMMA侧链上的甲基被刻蚀掉且空气中的O_2参与了反应。另外还研究了激光能量和脉冲数目对刻蚀率和表面粗糙度的影响。结果表明,随着激光能量和脉冲数目增加,刻蚀率和粗糙度并不是一直呈现递增的趋势。

激光驱动纳米须靶产生X射线转换效率研究（英文）

在研究超强激光与物质相互作用中,研究的焦点通常需要高质量的光源来诊断动态物质的结构。为了获得高亮度、准单能和高对比度X射线光源,改变物质及其结构来增强吸收激光能量和提高激光X射线的转换效率。利用多孔结构原理,设计了直径为200 nm、密度为铜70%的纳米铜靶。在中国工程物理研究院激光聚变研究中心星光-Ⅲ激光装置上进行实验,作用于靶表面的飞秒激光强度大于2×10^(18)Wcm^(-2),利用单光子计数型X射线CCD测量了Ka特征X射线,获得的Ka光子峰值产额达到了3.6×10~8photons·sr^(-1)·s^(-1),X射线最大转换效率达到0.008 68%,是平面铜靶转换效率的1.2倍。实验表明纳米须结构能够有效增强飞秒激光的能量吸收,增强了超强激光转换成电子和X射线的转换效率。