北京理工大学 爆炸科学与技术国家重点实验室，北京 100081
由于炸药具有热传导系数小、对温度极其敏感的特点，在使用多脉冲飞秒激光对其进行持续加工时，极有可能在炸药内形成热累积，从而导致点火、燃烧等危险事件的发生。为了降低激光加工材料过程中的热效应，人们普遍采取在材料加工表面施加气流的方法。为了研究加载气流条件下，炸药装药在飞秒激光作用下产生的烧蚀产物的运动规律以及炸药装药内部的温度变化，建立了加载气流条件下飞秒激光加工炸药装药过程的二维流固耦合计算模型，对在单侧、双侧不同入射角度的亚音速气流作用下，飞秒激光加工奥克托今（HMX）炸药装药的过程进行了数值模拟计算。计算结果表明：单侧气流会在炸药加工表面形成漩涡流，导致烧蚀气体产物在炸药表面做旋转运动，加重了烧蚀产物对炸药的热影响；双侧气流会在远离炸药加工表面的地方形成较大的漩涡流，从而使烧蚀气体产物迅速离开炸药加工表面，有效降低了炸药的温度，提高了飞秒激光加工炸药装药过程的安全性。
飞秒激光 炸药 数值模拟 气流 热安全性 femtosecond laser explosive numerical simulation airflow thermal safety 强激光与粒子束
2024, 36(1): 011003
红外与激光工程
2023, 52(11): 20230150
1 中国科学院力学研究所流固耦合系统力学重点实验室，北京 100190
2 中国科学院大学工程科学学院，北京 100049
3 中国科学院力学研究所空天飞行高温气动国家重点实验室，北京 100190
建立了一种适用于强激光辐照面的高温原位观测方法，并开展了高速风洞内的激光辐照实验，获得了典型金属材料与复合材料在超声速切向气流条件下的瞬态烧蚀与破坏行为；此外，基于Horn-Schunck光流法分析了各典型材料的烧蚀特征与质点的运动速度，基于粒子图像测速法并结合复合材料铺层结构特征获得了瞬时烧蚀速度。研究结果表明，各材料的动态烧蚀行为有很大差异：在切向气流作用下，熔融态钛合金的流动模式从燕尾状转变为羽翼状，而镍基高温合金则呈雨滴状流动。基于Kelvin-Helmholtz机制分析了切向气流作用下不同金属材料击穿时间存在差异的原因。超高温陶瓷复合材料的热化学烧蚀和机械剥蚀特征与编织结构类型密切相关，并且高激光功率密度条件下的抗激光烧蚀性能与碳纤维含量成正比。
激光技术 激光破坏效应 原位观测技术 瞬态烧蚀形貌 超声速切向气流 光流法 中国激光
2023, 50(16): 1602201
采用波长为1070 nm的连续激光对亚音速切向空气流下玻璃纤维增强树脂基复合材料（GFRP）的穿孔效应进行了研究。通过实验研究了功率密度（848~1556 W/cm2）和切向气流流速（0~1个马赫数）对穿孔形貌、穿孔点温度和穿孔时间的影响。结果表明：切向气流流速为0.5个马赫数（Ma）时靶材穿孔时间随功率密度的增加而减小，最大减小了46%；功率密度为848 W/cm2时穿孔时间随气流流速的增加呈先减小后增加的规律，与无气流（0 Ma）时相比，最大仅减小8%。激光功率密度的增加加速了热解气体的产生，使得孔隙压力升高，促进了靶材的剥蚀。切向空气流对作用过程的影响主要包括：降低树脂基体热解所产生的残炭含量，进而改变靶材吸收方式；产生切向剪切力，加速靶材的力学剥蚀；加速对流换热，降低靶材表面温度。当切向气流速度较小（≤0.4 Ma）时，切向气流的作用主要是促进树脂热解，降低残炭含量，转变靶材吸收方式；当切向空气流速较大（0.8~1.0 Ma）时，气流的冷却作用表现得较为明显。
激光光学 激光损伤 连续激光 玻璃纤维增强树脂基复合材料 切向空气流 穿孔效应 中国激光
2023, 50(14): 1401002
1 中国科学院 力学研究所 流固耦合系统力学重点实验室，北京 100190
2 中国科学院 力学研究所 空天飞行高温气动国家重点实验室，北京 100190
3 中国科学院大学 工程科学学院，北京 100049
4 上海宇航系统工程研究所，上海 201109
为了明确高速气流对C/SiC复合材料激光烧蚀行为的影响机制，开展了不同环境下强激光对C/SiC复合材料的烧蚀对比实验研究。利用激光器与高速风洞联合实验平台，完成了静态以及Ma 1.8，Ma 3.0，Ma 6.0气流环境下2D与3DN C/SiC复合材料激光烧蚀实验。结果表明，与静态环境相比，高速气流对C/SiC复合材料的激光烧蚀行为产生了显著的影响，气流的冲刷使得烧蚀坑呈现出更宽、更深、更光滑的变化趋势。随着气流速度的增长，线烧蚀速率与质量烧蚀速率逐渐增大，主要原因为当地静压降低引起的升华速率增大，以及动压增大引起的剥蚀速率增大。此外，通过实验对比了不同构型对C/SiC激光烧蚀行为的影响。结果表明：2D C/SiC复合材料由于厚度方向更低的导热能力、更低的孔隙率等原因，其在不同环境条件下抗烧蚀能力均强于3DN C/SiC复合材料。
C/SiC复合材料 激光辐照 高速气流 烧蚀行为 C/SiC composite laser irradiation high-speed airflow ablation behaviors 强激光与粒子束
2023, 35(5): 051002
1 中国工程物理研究院激光聚变研究中心，四川 绵阳 621900
2 成都航空职业技术学院 工程实训中心，四川 成都 610100
3 哈尔滨工业大学 机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150000
在高功率激光装置中，光学元件表面的污染物会降低光束质量甚诱导光学元件损伤。针对装置中受污染的镀有SiO2溶胶-凝胶增透膜的大口径真空隔离片（430 mm×430 mm），使用波长为355 nm的Nd:YAG脉冲激光器模拟在线激光清洗实验。实验中采用了单发次激光干式清洗与气流置换系统辅助的激光清洗系统，研究了关键特征参数对激光在线清洗效果的影响规律，获得了可用于激光在线清洗的工艺参数。光学元件的处理采用光学显微镜、暗场成像法表征以及图像处理软件分析。实验结果表明，激光在线清洗光学元件存在最佳工艺窗口。通过气流置换辅助的激光清洗方法后，相较于单纯的单发干式激光清洗，激光清洗能力有大幅提升。因此，气流置换系统辅助单发激光清洗能有效提高其清洗能力，为高功率激光装置中大口径光学元件表面污染物在线去除提供了一种有效手段。
激光清洗 在线 大口径 光学元件 气流辅助 laser cleaning in-situ large-aperture optical components airflow assist 红外与激光工程
2023, 52(2): 20220739
1 中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所，江苏 南京 210042
2 中国科学院天文光学技术重点实验室（南京天文光学技术研究所），江苏 南京 210042
3 中国科学院大学，北京 100049
大口径、长焦距的水平光学检测系统极易受到气流扰动的影响，气流扰动会引起光路中温度、速度、压强等多个物理量在时间和空间上随机动态变化。尤其是温度在空间上呈现梯度分布，以及在时间上存在缓慢漂移，均将会直接导致空气折射率的动态变化，从而导致点扩散函数退化、引起波前倾斜、出现波前时变。为了抑制气流扰动对检测光路的影响以及提高检测精度，基于计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)方法，提出了风扇强制对流的室内温度场控制方法，确定风扇放置方式与风扇数量。采用温度最大峰值（Peak to Valley, PV）并引入了最大光程差概念，综合评价光路温度场的均匀性。经过多次实验验证，采用强制对流方案，将0°像散标准差从
$0.146 \lambda $![]()
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降低到
$ 0.026\;3 \lambda\;(\lambda=632.8\; \mathrm{nm}) $![]()
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，显著提高了光路温度场的均匀性与稳定性，大幅降低了光学检测误差，提高了检测精度。为今后保障狭长通道内长光路、大口径光学检测系统的测量精度提供了借鉴。
红外与激光工程
2022, 51(12): 20220204
1 广东科技学院，广东东莞523083
2 华南理工大学 机械与汽车工程学院，广东广州510640
针对ITO玻璃表面线路激光刻蚀中因定位问题玻璃工件产生的微变形，采用微孔陶瓷对工件进行微气流阵列加压，确保高精度的激光刻蚀加工。分析不同加工工艺下的微气流压力分布，探究气流压力和刻蚀间隙对ITO玻璃刻蚀表面平面度的作用机制。结果表明：经微孔气流加压后，工件在气体流动的区域受到正压力，加工区域的压力分布较为均匀。由此可知，工件表面受到均布气压有利于刻蚀表面的定位，但过大的压力会导致工件微变形。实验结果显示：在合适的压力下，微孔气流加压可使得平面度低至8 μm，当压力在0.16~0.2 kPa，刻蚀间隙在1.8~1.9 mm时，工件表面压力为13.2~14.4 Pa，此时平面度最好，微米尺度的刻蚀线路清晰，不产生破损。最后，对微孔气流加压的ITO玻璃进行激光刻蚀加工，可得到8 μm以及25 μm的表面微细线路，解决了通常无微孔气流加压的刻蚀工艺导致局部断点或变形线路引起产品短路或开路等问题。
激光刻蚀 微孔气流 ITO玻璃 刻蚀工艺 高精密加工 laser etching microporous airflow ITO glass etching process high precision machining 光学 精密工程
2022, 30(13): 1564
1 重庆大学光电工程学院光电技术与系统教育部重点实验室，重庆 400044
2 重庆大学附属肿瘤医院，重庆 400030
呼吸率检测中存在主观因素强、信号提取复杂、设备不易获取和有线连接不方便测试者移动等问题。人体呼吸周期为3 s?6 s，呼吸气流是呼吸动作的最直接反应，与周围空气存在湿度差。本文采用研制的新型无机卤化物钙钛矿湿度传感器测量呼吸率，克服了市面上湿度传感器响应和恢复时间长(10 s以上)的问题。系统使用Zigbee无线通信传输检测信号，使信号检测和处理部分分离，方便测试者移动。使用上位机软件进行数据处理计算呼吸率，并根据呼吸暂停阈值判断呼吸状态。测试结果表明，系统可实时准确监测呼吸率，最大误差1次/分钟，具有准确率高、信号处理简单、便携和成本低的优势。
呼吸气流 湿度传感器 呼吸率监测 无线通信 上位机设计 respiratory airflow humidity sensor respiratory rate monitoring wireless communication upper computer design
