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激光在不同环境下烧蚀铝靶冲量耦合系数研究 .doc
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激光在不同环境下烧蚀铝靶冲量耦合系数研究 .doc
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I
摘 要
高能聚焦激光和固体金属铝靶作用,通过烧蚀固体靶材产生等离子体,会使靶材料
获得一定动量。在不同的环境条件下,通过实验研究激光能量密度和靶材料的冲量耦合
系数关系,可以分析环境条件对激光烧蚀靶材冲量耦合系数的影响。在气体环境和液体
环境中,激光烧蚀靶材料会呈现不同规律。
本文先从理论上研究了不同环境下激光和靶材作用,对空气和液体中冲击波行为进
行模型分析。接着实验测量不同条件下的激光烧蚀铝靶冲量耦合系数。实验测量方法为
压电传感器测量,传感器为自主设计的铝质探头。实验分别在气体环境和液体环境两种
不同条件下进行。在气体环境下,研究内容有:(1)研究标准气压下铝靶冲量耦合系数
和激光能量密度关系;(2)改变气压,测量相同能量密度下激光冲量耦合系数,研究气
压对烧蚀铝靶的影响;(3)改变激光能量密度、研究激光能量密度对烧蚀铝靶面半径的
影响。在液体环境条件下,主要研究内容有:(4)水层厚度一定时,研究激光能量密度
对铝靶冲量耦合系数的影响;(5)研究激光在液体中聚焦位置对铝靶冲量耦合系数的影
响;(6)变换不同液体介质,研究液体介质性质对铝靶冲量耦合系数影响。
实验结果表明:气体环境中激光烧蚀铝靶,在改变激光能量密度时,铝靶冲量耦合
系数大小会受到激光烧蚀铝靶的速率及等离子冲击波压强的影响,并且存在烧蚀阈值时
也会影响冲量耦合系数的数值。液体环境中激光烧蚀铝靶,铝靶冲量耦合系数随激光能
量密度变化趋势和空气中近似,但是液体环境中冲量耦合系数要明显高于空气中。实验
发现在液体水柱中,聚焦位置距离靶面越远,铝靶冲量耦合系数越小,同时靶前靶后聚
焦效果不同。最后实验还发现,在一定条件下,密度大的液体介质冲量耦合系数大,并
且冲量耦合系数还和电离程度的难易有关。
关键词:环境条件;激光烧蚀;激光能量密度;铝靶冲量耦合系数
II
III
ABSRTACT
High energy impulse laser irradiation of solid metal target can make the target get a certain
momentum. By studying the relationship between laser energy density and impulse coupling coefficient of
target, the influence of environmental conditions on the impulse coupling coefficient can be analyzed.
Laser ablation of target can present differently in gas and liquid.
Firstly, the interaction between laser and target under different conditions was theoretically
studied in this paper, and then the shock wave model in gas and liquid was analyzed. Then the impulse
coupling coefficient of aluminum target was measured. The measurement of this experiment is by using
piezoelectric sensor which was designed dependently with the material of aluminum. Experiments were
undertook separately in both gas and liquid. In a gas environment, the research content are as follows:
(1)Under the standard air pressure, the relationship between laser energy density and the impulse coupling
coefficient of aluminum target was researched; (2) Changing air pressure, the impulse coupling coefficient
of aluminum target was measured under the same energy density, then the effect of air pressure on the
aluminum target’s ablation was studied;(3)When the laser energy density was changed, the effects on the
radius of ablation aluminum target was studied. In the liquid, the main researches include as follows:
(4)The relationship between laser energy density and the impulse coupling coefficient of aluminum target
was researched under a certain layer thickness of water; (5)The influence of laser focus position in the
water on the impulse coupling coefficient of aluminum target was studied;(6)The effect of different liquid’s
characteristics on the impulse coupling coefficient of aluminum target was analyzed.
The experiment results show that: When the ablation of aluminum target occurs under the
condition of gas, the ablation rate and the laser plasma shock wave pressure may have influence on the
impulse coupling coefficient of aluminum target in different laser energy density, at the same time, the
ablation threshold would affect the value of the impulse coupling coefficient. When ablation of aluminum
is in liquid, the trend of laser ablation variation under different energy density is closed to the trend in gas,
but the value of the impulse coupling coefficient in liquid is greatly higher than in the air. It was found that
IV
the farther focus distance from target surface, the smaller value of the impulse coupling coefficient in liquid,
and the result may vary differently before target and behind target. At last the experiment also found that
the density and the ionization degree of liquid may influence the result. When the density and the ionization
degree of liquid is big, the value of the impulse coupling coefficient is big.
Keywords: environmental conditions; laser ablation; the energy density of laser; the impulse coupling
coefficient of aluminum target
1
第一章 绪 论
1.1 前言
自从激光器问世以来,人们就不断对激光和物质相互作用进行研究。激光作为一种
强的电磁波和物质作用,服从经典的电磁场理论,同时也涉及量子领域。激光能作用的
物质很广泛,从固体物质到液态介质,再到气体物质等。并且它以其光强大、单色性好、
准直性好等优点在激光应用中得到推广。其中,激光在航天烧蚀推进
[1-5]
和液体环境下
烧蚀材料
[6-9]
等方面的研究取很大的进展。
激光在烧蚀方面的应用,主要利用聚焦产生高能量密度的激光来使靶材料受热、气
化、蒸发,达到烧蚀材料目的。对于烧蚀推进,主要利用激光烧蚀靶材料产生等离子体
冲击压来使靶获得动量。一般人们用烧蚀材料比冲和冲量耦合系数等参数来衡量烧蚀效
率。比冲为消耗单位质量工质产生的推力,冲量耦合系数为消耗单位能量所产生的动量。
激光和传统的燃料推进相比优点是具有较高的比冲,同时具有较大的冲量耦合系数,并
且能量造价低
[10]
;其缺点是可提供的激光器能量有限,无法满足长距离推进需要,一些
材料抗烧蚀能力差,因此不能取代现有的火箭推进。
对于激光烧蚀推进的发展历史可以追踪到二十世纪三十年代,俄罗斯航天先驱
Fridrikh Tsander 和德国 Hermann Oberth 分别提出了光压推进的思想。直到 1960 年,德
国科学家 Eugen Sanger 提出用泵浦固体激光器产生推进所需的辐射压力。Myrabo, Leik
N 于 1998 年进行了太空推进实验
[11]
,从室外地面用激光推进飞行器到空中,对飞行高
度进行测试研究。2000 年,美国用高功率 CO
2
激光器驱动光帆在 Wright-Patterson 空军
基地进行实验测量,在同一年,Bohn,Willy L 研究了测试了一激光飞行器
[12]
。2002 年
Yabe, Takashi 也进行了激光推进实验
[13]
,主要分析了激光从大气层到外太空可能遇到的
各种状况。在太空中,激光推进效果演示如图 1-1,其底部为高能量激光器,空中为类
似于光帆的航天器。
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