1 西安理工大学 机械与精密仪器工程学院,西安 710048
2 西安外事学院 工学院,西安 710077
为了研究纳秒脉冲激光与铝靶碎片的相互作用规律,建立了纳秒脉冲激光辐照铝靶碎片的动态响应仿真模型,采用COMSOL软件分析了不同作用时间和不同入射激光功率下的等离子体反喷羽流动力学特性,得到了不同激光参数变化对脉冲激光辐照铝靶碎片产生等离子体反喷羽流的演化规律。结果表明,相同脉冲激光功率作用下等离子体羽流反喷速度随作用时间的增加而增大; 相同脉冲激光时间作用下,随着激光功率增加,等离子体反喷羽流的最大速度也不断增大; 由于受等离子体屏蔽效应的影响,反喷羽流速度在25 μs附近达到最大,在700 kW时最大速率为1.87×104 m/s,此时等离子体反喷羽流扩散半径增加了17 mm。该研究为纳秒脉冲激光辐照铝靶空间碎片降轨移除工程化应用提供了理论参考。
激光技术 等离子体羽流 数值模拟 反喷速度 空间碎片 laser technique plasma plume numerical simulation expansion velocity space debris
红外与激光工程
2023, 52(7): 20220810
强激光与粒子束
2023, 35(6): 061002
1 中北大学 机电工程学院,山西 太原 030051
2 北京环境特性研究所 光学辐射重点实验室,北京 100854
3 哈尔滨工业大学 工信部空天热物理重点实验室,黑龙江 哈尔滨 150001
在火箭发动机喷焰红外辐射预测过程中,由于弹道参数的不确定性因素存在,会影响喷焰红外辐射信号计算结果的置信度。文中以Atlas-IIA低空喷焰为研究对象,以来流速度、来流温度、来流压力和飞行攻角为不确定性输入变量,采用拉丁超立方试验设计样本,开展喷焰反应流场与红外辐射特性计算,获得各样本点对应的喷焰红外辐射响应值,利用非嵌入混沌多项式(No-intrusive Polynomial Chaos, NIPC)方法构建代理模型,采用响应面法求解NIPC多项式系数,基于统计参量研究各参量对红外辐射信号的不确定度和敏感性。结果表明来流特性引起的辐射强度不确定度与波段的选取有较高的关联度。来流速度对光谱辐射强度的灵敏程度最高,来流压力和攻角次之,来流温度的影响可忽略不计;来流速度对2.5~3.2、2.8~3.0 μm谱带内的辐射强度敏感,主Sobol指数占比均在80%左右,来流压力对4.35~4.65 μm波段辐射强度的影响占比为70%;各参数间的耦合作用对喷焰红外辐射的影响不高于4%。该研究可为火箭发动机尾喷焰红外辐射准确预估和置信度评估提供理论支撑。
来流参数 尾喷焰 NIPC 红外辐射 不确定度 free stream parameter rocket exhaust plume NIPC infrared radiation uncertainty 红外与激光工程
2023, 52(4): 20220621
航天工程大学宇航科学与技术系, 激光推进及其应用国家重点实验室, 北京 101416
为研究脉冲激光斜入射烧蚀铝靶冲量耦合机理, 直接测量其宏观冲量耦合特性是其中一种手段, 但激光烧蚀包含多种物理过程, 仅仅研究其宏观力学性能难以深入分析冲量形成机理, 脉冲激光烧蚀形成的等离子体羽流喷射是诱发力学效应的重要过程, 因此, 在研究宏观力学性能的基础上, 通过开展脉冲激光斜入射烧蚀铝靶等离子体羽流及发射光谱特性测量研究, 深入分析脉冲激光烧蚀冲量耦合机理。 围绕单脉冲1064nm激光斜入射烧蚀铝靶开展研究, 首先通过构建高速摄影测量系统和发射光谱测量系统, 获得了典型激光能量密度斜入射烧蚀铝靶产生的等离子体羽流图像、 等离子体光谱图像和等离子体发射光谱, 基于等离子体发射光谱, 利用Boltzmann作图法和Stark展宽法, 分别研究了脉冲激光多种斜入射角度下等离子体温度、 电子数密度随能量密度的变化关系; 通过搭建扭摆微冲量测量系统, 研究了脉冲激光多种斜入射角度下, 沿着激光入射方向的冲量耦合系数随能量密度的变化。 研究中遵循从羽流微尺度演化过程到冲量宏观力学性能测量分析的研究思路。 实验结果表明, 随着能量密度的增加, 等离子体羽流发光强度增强, 羽流离化程度增加, 等离子体温度、 电子数密度均先迅速增加, 冲量耦合系数也迅速增加; 当能量密度大于15 J·cm-2时, 由于等离子体屏蔽效应, 等离子体温度、 电子数密度均逐渐趋于饱和, 最终导致冲量耦合系数随着能量密度的增加而减小; 此外, 随着入射角度的增加, 等离子体温度、 电子数密度均逐渐减小, 导致冲量耦合系数也随之减小。 研究结果表明, 利用高速摄影和发射光谱可较好地分析脉冲激光烧蚀冲量耦合机理, 研究结果可为激光空间碎片清除、 空间微推力器、 空间非合作目标消旋等空间应用的关键参数优化提供参考。
激光烧蚀 斜入射 等离子体羽流 高速摄影 发射光谱 等离子体屏蔽 冲量耦合 Laser ablation Oblique incidence Plasma plume Fast photography Optical emission spectroscopy Plasma shielding Impulse coupling
1 中北大学 机电工程学院, 太原
2 哈尔滨工业大学 工信部空天热物理重点实验室, 哈尔滨
火箭发动机高温尾喷焰因具有显著的红外辐射特征成为天基红外系统探测、跟踪、分类和识别任务重点关注的对象。火箭发动机喷焰辐射信号产生、传递机制的物理建模和数值计算一直是目标探测领域重点关注的问题, 也正朝着高精度、高效率的方向发展。针对火箭发动机喷焰红外辐射数值计算研究, 围绕喷焰红外辐射计算链路所涉及的各环节, 从喷焰反应流场模拟、高温燃气辐射物性参数计算、辐射传输计算和数理模型校验试验等方面的研究情况展开综述。
火箭发动机尾喷焰 红外辐射 辐射传输 rocket exhaust plume infrared radiation radiative transfer
1 北京交通大学物理科学与工程学院, 物理系, 北京 100044
2 北京交通大学物理科学与工程学院, 微纳材料及应用研究所, 北京 100044
二硫化钼(MoS2)在环境中的热稳定性和化学稳定性好, 迁移率相对较高, 已应用于气体传感器、光电探测器和场效应管等器件的研制。采用氧气辅助技术生长的氧掺杂MoS2(MoS2-xOx)不仅可以调控MoS2单晶尺寸, 还能提高MoS2单晶光致发光强度。本文采用射频反应磁控溅射技术、自然环境中氧化和热退火工艺, 改变溅射羽辉与玻璃基底夹角来制备MoS2-xOx薄膜并研究其光学性质。采用X射线光电子能谱分析了样品的元素和价态; 扫描电子显微镜观测的结果表明, 溅射羽辉与基底成45°(θ=45°)时表面形貌为最优; 紫外-可见分光光度计的测试结果表明, 随着厚度和氧含量的增加, MoS2-xOx薄膜的光学带隙减小; 采用COMSOL Multiphysics软件模拟了MoS2-xOx薄膜光学透过率, 理论和实验结果相吻合。本文的研究结果将为MoS2-xOx薄膜在光学领域的应用提供科学参考。
掺氧二硫化钼 氧气辅助技术 磁控溅射 羽辉 透过率 光学带隙 oxygen-doped molybdenum disulfide oxygen-assisted technology magnetron sputtering plume transmittance optical band gap COMSOL COMSOL
Author Affiliations
Abstract
1 Technical Chemistry I and Center of Nanointegration Duisburg-Essen (CENIDE), University of Duisburg-Essen, Universitaetsstr. 7, 45141 Essen, Germany
2 Department of Applied Sciences and Mechatronics, Munich University of Applied Sciences, Lothstr. 34, 80335 Munich, Germany
3 Materials Science and Additive Manufacturing, School of Mechanical Engineering and Safety Engineering, University of Wuppertal, Gaußstraße 20, 42119 Wuppertal, Germany
Laser ablation in liquid is a scalable nanoparticle production method with applications in areas like catalysis and biomedicine. Due to laser-liquid interactions, different energy dissipation channels such as absorption by the liquid and scattering at the ablation plume and cavitation bubble lead to reduced laser energy available for nanoparticle production. Ultrashort pulse durations cause unwanted nonlinear effects in the liquid, and for ns pulses, intra-pulse energy deposition attenuation effects are to be expected. However, intermediate pulse durations ranging from hundreds of picoseconds up to one nanosecond have rarely been studied in particular in single-pulse settings. In this study, we explore the pico- to nanosecond pulse duration regimes to find the pulse duration with the highest ablation efficiency. We find that pulse durations around 1–2 ns enable the most efficient laser ablation in liquid since the laser beam shielding by the ablation plume and cavitation bubble sets in only at longer pulse durations. Furthermore, pump-probe microscopy imaging reveals that the plume dynamics in liquids start to differ from plume dynamics in air at about 2 ns after pulse impact.Laser ablation in liquid is a scalable nanoparticle production method with applications in areas like catalysis and biomedicine. Due to laser-liquid interactions, different energy dissipation channels such as absorption by the liquid and scattering at the ablation plume and cavitation bubble lead to reduced laser energy available for nanoparticle production. Ultrashort pulse durations cause unwanted nonlinear effects in the liquid, and for ns pulses, intra-pulse energy deposition attenuation effects are to be expected. However, intermediate pulse durations ranging from hundreds of picoseconds up to one nanosecond have rarely been studied in particular in single-pulse settings. In this study, we explore the pico- to nanosecond pulse duration regimes to find the pulse duration with the highest ablation efficiency. We find that pulse durations around 1–2 ns enable the most efficient laser ablation in liquid since the laser beam shielding by the ablation plume and cavitation bubble sets in only at longer pulse durations. Furthermore, pump-probe microscopy imaging reveals that the plume dynamics in liquids start to differ from plume dynamics in air at about 2 ns after pulse impact.
colloid synthesis nanoparticles cavitation bubble power-specific productivity ablation plume vapor formation Opto-Electronic Advances
2022, 5(6): 210053
强激光与粒子束
2022, 34(1): 011006