激光辐照碳纤维的冲量耦合特性研究

发布时间：2021-04-17 23:40

　　本文对空间碎片材料碳纤维的冲量耦合特性进行了实验研究。设计了脉冲激光烧蚀光斑尺寸测量分析方法,测量获得了不同激光能量下的烧蚀光斑尺寸。基于扭摆微冲量测量原理,测量纳秒激光烧蚀碳纤维T300的冲量,研究结果表明,在能量密度达到6 J/cm2之前,冲量和冲量耦合系数均迅速增加,当能量密度达到6 J/cm2后,由于等离子体屏蔽效应的影响,冲量增加变缓,而冲量耦合系数逐渐下降。此外,为了分析烧蚀羽流对冲量耦合特性的影响,计算了不同能量密度下的羽流透射率,计算结果表明,冲量耦合系数下降阶段对应着较低的羽流透射率,即该阶段产生了较强的的等离子体屏蔽效应。 

【文章来源】：机电产品开发与创新. 2020,33(06)

【文章页数】：3 页

【部分图文】：

实验系统示意图

烧蚀光源为镭宝光电（Beamtech）公司生产的Nimma-900型Nd:YAG激光器，其输出波长为1064nm。通过光电探测器获得的激光脉宽如图2所示，激光器输出激光的脉宽为8ns。实验中，激光器的输出能量通过驱动电压来控制，为了保证对激光能量的准确测量，利用分束镜将一部分激光折转到Coherent公司Field Max型能量计探头上，对激光能量进行实时监测，记录下每个脉冲激光的能量。每次脉冲激光烧蚀结束后，利用扭摆下方的二维电动平移台改变靶片和及激光辐照区的相对位置，使每次脉冲激光能够作用于新的靶面位置。2 聚焦光斑尺寸测量

图1所示的实验系统中，聚焦镜和靶片之间的距离是固定的，随着激光能量的增加，烧蚀光斑尺寸是逐渐增加的。因此，我们需要对实验中用到的每个激光能量所对应的烧蚀光斑进行测量，测量系统如图3所示。该测量系统主要分为三部分，能量检测部分、光束质量分析部分、烧蚀光斑测量部分。能量检测部分主要为由能量计及其探头组成，保证对输出激光能量的准确测量；光束质量分析部分主要由激光能量衰减器、及光束质量分析仪组成，用于对每个脉冲激光的光束质量进行监测，典型的测量结果如图4所示，可以看出，该激光器输出的脉冲激光束为较好的高斯光束；烧蚀光斑测量部分主要基于镀铝膜镜片进行烧蚀光斑尺寸的定义和测量。2017年Tsuruta等人[10]探索了脉冲激光聚焦光斑尺寸的定义方法，他们通过调研发现，利用热敏纸进行光斑尺寸的定义时，存在明显的热效应，导致实际的测量光斑略大于实际的光斑尺寸，并且由于材料烧蚀阈值的不同，相同条件下测量得到的光斑尺寸有所差异；另一种常用的方法是利用光束质量分析仪进行光斑尺寸的测量，但测量结果会由于衰减器衰减比例的不同而存在差异；最终，他们定义了光斑尺寸测量方法：利用铝1050这种材料进行光斑尺寸的定义，通过测量铝1050表面的烧蚀痕迹获得烧蚀光斑尺寸。本文在Tsuruta等人[10]的研究基础上，利用镀铝膜片进行烧蚀光斑尺寸的定义，该方法具有烧蚀痕迹明显、便于测量等优点。利用该方法测量获得的不同能量下的光斑尺寸如图5所示，可以看出，光斑尺寸随着激光能量的增加而增大，并且在激光能量较高时，增加速度变缓。图4 光束质量分析仪典型结果

【参考文献】：
期刊论文
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本文编号：3144357