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。

为了进一步研究超短脉冲激光辐照光电探测器的饱和特性，以硅基PN型光电二极管作为实验器件，实验测量了不同激光能量密度的皮秒激光辐照器件的瞬态响应时间。实验结果表明，当皮秒激光能量密度达到97 nJ/cm²时，器件的瞬态响应信号出现了非线性饱和，同时对器件饱和后的信号特征量的信号半峰全宽和信号底宽进行了分析，其绝对增幅和相对增幅分别为154 μs、157.00%和157 μs、47.87%，可以看出随着激光能量密度的增加，响应时间逐渐增加，信号的时间展宽意味着器件的瞬态响应发生了退化。对激光注入载流子进行分析，发现激光辐照结束后产生大量的光生载流子，满足半导体的大注入条件，导致初始的载流子双极输运过程中双极迁移率趋近于0，对应的信号下降沿初始速度出现衰减，从而导致器件响应信号出现退化现象。

为研究纳秒激光烧蚀金属工质的推进性能，在约40 Pa的背景压力下，采用波长为532 nm和1 064 nm，脉宽为8 ns和15 ns的Nd: YAG激光器对金属Al、Fe、Ni、Y进行烧蚀实验，研究了不同激光参数下金属的烧蚀量、比冲、冲量耦合系数和激光能量利用率。研究结果表明，金属的烧蚀量受激光吸收率和金属熔沸点的制约，Fe的烧蚀量最大，Y的烧蚀量最小；高功率密度下(＞2.71×1010 W/cm2)， Y的烧蚀比冲和激光能量效率最大，而Fe的烧蚀比冲和激光能量效率最小。基于基态原子激发形成等离子体的机制和等离子体对入射激光的屏蔽效应分析了不同金属烧蚀特性变化的原因。研究结果对金属工质靶的选取有一定的参考意义。

针对激光微推力器对光学聚焦系统结构紧凑、聚焦光斑尺寸小以及避免羽流污染的特殊要求, 采用传统的光线追迹法研究单透镜直接聚焦、双透镜准直聚焦两种典型方案光学设计方法。针对低功耗半导体激光器光纤耦合输出的芯径和数值孔径条件, 在50 ?滋m级聚焦光斑约束下, 研究单透镜聚焦系统设计方案, 得到了透镜厚度、焦距、工作距等设计参数的关系; 研究准直聚焦光学系统的双透镜系统设计方案, 得到了透镜厚度、透镜中心距、工作距等设计参数特征关系。针对两种典型光学设计方案, 给出了工程应用设计参数。文中提出的设计方法避免了复杂的光学设计过程, 可为激光微推力器激光光束微尺度聚焦提供一种简单实效的方法。

超短脉冲激光烧蚀靶材产生的冲量耦合效应在激光烧蚀微推力器、激光清除空间碎片等航天应用中有广泛的应用前景, 而高精度的冲量测量方法是研究冲量耦合效应的必须手段。采用基于激光干涉法的扭摆系统测量激光烧蚀靶材产生的冲量, 并构建测量系统。研究扭摆系统纵轴振动和初始误差角对冲量测量产生的影响, 扭摆系统纵轴高频振动导致了激光干涉条纹间距出现不均匀现象; 此外, 扭摆初始误差角越大, 明条纹出现时间将前移, 条纹数目变大, 导致测量系统精度不高。通过建立的附加高频振动和初始误差角的误差分析模型, 提出了基于最小二乘法的实验数据分析方法, 该方法能够有效滤除高频测量噪声, 解决了冲量测量精度不高的问题, 进一步完善了冲量测量方法。

分别以碳掺杂的乙醇、甘油、单推-3和聚叠氮缩水甘油醚（GAP）为典型的液态工质，在不同能量激光注入的情况下，研究了烧蚀产物及其诱发的工质溅射，获得了推力变化规律。结果表明，溅射初期的高速喷射过程是推力形成的主要阶段。随后的溅射过程使质量流量增大，但对冲量耦合的贡献较小，进而使得整体推进性能下降。

激光微推进技术是利用激光与物质相互作用产生的力学效应实现推进的一种新的激光动力的电推进技术。液态工质是激光微推进工质选择的最新热点，其与激光相互作用所形成的冲量耦合特性决定了液态工质激光微推进性能的好坏。利用激光干涉差动测量微小冲量的扭摆装置，以聚叠氮缩水甘油醚(GAP)、单组元凝胶推进剂(单推-3)和甘油为工质，测量注入不同激光能量条件下，所形成的冲量和冲量耦合系数大小，进而针对冲量耦合性能较好的GAP工质，测量了比冲和烧蚀效率。结果表明：液态GAP冲量耦合特性较好，冲量耦合系数一般在500 μN/W以上，最高可达1 493.0 μN/W，但是，比冲和烧蚀效率较低，比冲最高仅为140 s，烧蚀效率为37.6%。