西北核技术研究所 激光与物质相互作用国家重点实验室，陕西 西安 710024
当激光辐照玻璃钢烧蚀碳化至一定程度时，产生的树脂碳产物对微波传输产生衰减作用。针对该现象，开展了数值建模研究，将激光辐照-微波传输衰减效应分解为激光辐照、材料热响应、提取模型表征量、微波传输衰减分析等过程。通过玻璃钢材料的激光耦合特性和表面温度测试，对建立的玻璃钢层合板激光辐照温度场计算模型进行了验证；通过材料体温度分布的时间演进分析，提取了网格单元温度超过阈值温度的持续时间加权和St, Tc、网格单元温度超过阈值温度的持续时间与温度乘积的加权和STt, Tc两个模型表征量，采用单个实验数据标定系数、整体数据点匹配分析方法，对微波传输衰减实验与数值模拟结果进行了分析。分析结果表明，St, Tc比STt, Tc更适于表征玻璃钢烧蚀碳化致微波传输衰减效应，温度阈值为873 ℃时计算结果与实验结果最匹配，其R2为0.9956。这说明，通过计算激光辐照玻璃钢温度响应并提取微波传输衰减效应表征量St, Tc，可实现对玻璃钢激光烧蚀碳化致微波传输衰减效应的模拟和预测。
玻璃钢 碳化 微波传输衰减 数值模拟 GFRP carbonization microwave transmission decay numerical simulation 红外与激光工程
2021, 50(12): 20210137
1 清华大学 工程物理系, 北京 100084
2 西北核技术研究所 激光与物质相互作用国家重点实验室, 陕西 西安 710024
研究了机械加工时由周期分量和随机分量叠加形成的粗糙表面的激光散射特性。基于Helmholtz-Kirchhoff积分定理并结合统计学相关理论, 推导得到了上述粗糙表面的散射场强空间分布理论计算公式。根据推导得到的计算公式, 计算了不同周期振幅和不同随机粗糙度情况下的散射场强空间分布, 并分析了散射场空间分布的特征和形成原因。理论计算结果表明：在随机性粗糙度远小于激光波长时, 周期振幅越大, 散射场空间分布的“衍射条纹”现象越明显; 而在随机性粗糙度和激光波长可比拟时, 周期振幅在波长范围内的变化对散射场空间分布特征影响较小, 不再有“衍射条纹”出现。在这种情况下, 周期振幅的变化所产生的效果相当于是对散射场空间分布进行了调制。
粗糙表面 高度分布 激光散射 散射系数 rough surface height distribution laser scattering scattering coefficient
1 国防科学技术大学光电科学与工程学院, 湖南 长沙 410073
2 西北核技术研究所激光与物质相互作用国家重点实验室, 陕西 西安 710024
3 清华大学工程物理系, 北京 100084
利用共轭反射计装置，开展了真空环境中激光作用下环氧/硅树脂双层结构复合涂层的1.3 μm反射特性研究，测量得到了涂层反射率随样品背表面温度的变化曲线。通过有限元分析和界面热阻修正得到了反射率随涂层温度的变化关系，探讨了反射率随温度的变化机理。研究结果表明，红外连续激光损伤环氧/硅树脂复合涂层，主要表现为底漆热解引发的鼓包分层和面漆热解导致的烧蚀变色；常温下涂层对1.3 μm激光的反射率约为0.80，激光辐照初始时变化不明显，鼓包前后出现波动，测量区涂层鼓包、烧蚀后反射率显著下降，最终保持在一个相对较低值；反射率变化与涂层热解过程、损伤方式密切相关，涂层对1.3 μm激光的反射率变化存在3个特征温度，分别对应底漆热解、面漆热解和表面状态趋于稳定时的温度。
激光光学 反射率 共轭反射计 复合涂层 热解
1 国防科学技术大学光电学院， 湖南 长沙 410073
2 西北核技术研究所激光与物质相互作用国家重点实验室， 陕西 西安 710024
为研究有机漆涂层的激光损伤机理，利用红外连续波激光，开展了真空低温环境下聚氨酯黑漆涂层的激光辐照实验，并进行了扫描电子显微镜(SEM)和X射线光电子能谱(XPS)分析，结合宏观现象、微观形貌分析对损伤等级进行了划分。结果表明，红外激光对聚氨酯黑漆的作用以热效应为主，损伤在宏观上表现为涂层色泽下降、颜色变化、烧蚀，微观上出现了裂纹和颗粒团聚；辐照升温使涂层组分和化学结构发生了改变，粘结剂聚氨酯中氨基甲酸酯基团的C-N键和O-C＝O双键在激光辐照加热下容易断裂，导致材料降解、碳化，烧蚀产生热解气体和可凝挥发物。
激光技术 损伤机理 聚氨酯黑漆 热解 烧蚀
1 西北核技术研究所 激光与物质相互作用国家重点实验室, 陕西 西安 710024
2 国防科学技术大学 光电科学与工程学院, 湖南 长沙 410073
为了研究激光辐照过程中材料的耦合特性及耦合特性随温度的变化规律,设计了一套主体为半椭球壳体，可用于激光辐照过程中材料反射率在线测量的共轭反射计实验装置，研制完成的初样其主体内壁在可见-长波红外光谱范围内镜面反射率优于70% 。介绍了测量原理和测试系统的设计方案，采用光线追迹模拟方法研究了主体部分的设计参数，分析了开孔位置、入射方向、光斑尺寸、收集孔径以及内壁反射特性对测量收集效率的影响。结果表明：在设计指标下选用探测光束直径为Φ10 mm、收集孔径为Φ38.1 mm时，收集效率可达到完全收集的97.8%，满足测量要求。另外,用短波激光测量内表面光洁度有更高要求; 理想面型条件下，限定范围内的收集效率主要由内壁镜面反射率决定; 因此，半椭球内壁的面型、光洁度、反射率及其均匀性是影响测量精度的主要因素。
共轭反射计 反射率测量 激光辐照 耦合特性 收集效率 conjugated reflectometer reflectance measurement laser radiation coulpling characteristics collection efficiency 光学 精密工程
2010, 18(12): 2521
