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。

水平扭摆冲量测量装置是研究激光与工质烧蚀冲量耦合的有效手段。针对测量过程易受干扰的特点, 基于冲量瞬间作用模型, 通过系统参数标定误差和冲量误差与噪信比关系, 采用蒙特卡洛数值仿真方法, 提出了测量噪声影响系统参数标定和冲量测量误差的分析方法。所提出的方法可应用于分析测量噪声对系统参数标定误差、冲量测量误差的影响规律研究, 为微小冲量测量误差和结构设计提供依据。

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。

以聚叠氮缩水甘油醚(GAP)作为烧蚀靶材,以纳米碳粉和红外染料作为掺杂剂,采用微尺度羽流观测系统对GAP靶材的喷射羽流图像进行了观测,分析了掺杂浓度、靶材厚度及激光烧蚀模式对GAP烧蚀特性和推进性能的影响。结果表明,在激光烧蚀过程中,未掺杂吸收剂的GAP靶材利用率非常低;掺杂纳米碳粉后,靶材的推进性能显著增强,但对靶材厚度的依赖性较强,厚度较薄的掺杂纳米碳粉的GAP适合作为透射式激光烧蚀微推力器的靶材;掺杂红外染料后,聚合物的气化程度显著提高,透射式下厚度对羽流喷射的影响较小。红外染料适合作为反射式激光烧蚀微推力器聚合物靶材的掺杂剂。

针对微推力测量中电容位移传感器需要频繁标定非线性误差的问题, 提出了一种基于激光干涉的现场标定方法。标定原理为: 在直线位移台上同时调节可动角隅棱镜与测量目标的位置, 进而改变干涉光路光程差及电容位移传感器极板间距, 以激光干涉测量结果为基准, 采用线性拟合方法, 对传感器非线性误差进行标定。搭建了基于常用光学元件的干涉光路, 对应用于微推力测量中不同量程的传感器进行标定。在分析干涉光强变化特点的基础上, 确定了干涉条纹数计算方法, 得到干涉光路的位移测量精度为66.5 nm。实验验证了该校准装置的实用性和准确性, 最后对标定结果、传感器输出非线性误差以及影响激光干涉测量精度的主要因素进行了分析, 得到激光干涉测量总误差为67.2 nm。

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%。

激光辐照液态工质,在激光能量密度较高时将出现特有的“飞溅”现象,该过程消耗了大量的工质。选取室温下甘油作为实验研究对象,针对烧蚀甘油发生飞溅过程中产生的力学效应,设计了流场显示和推力测量集成装置,使用YAG激光作为能量源,对甘油进行烧蚀。将得到的流场测量结果与推力曲线比对,找到发生飞溅对应的推力曲线部分,积分计算甘油发生飞溅对烧蚀总冲量贡献的比例。结果表明飞溅所消耗的大量甘油工质使用效率极低,未带来相应的冲量,是液态工质比冲过低的主要原因。因此,在以液体为工质的激光烧蚀推进技术中必须克服飞溅现象。最后给出一种通过碳掺杂来控制液体飞溅的方法,结果表明碳掺杂可以有效减少液体飞溅。

利用激光清除空间碎片被认为是一种可行手段, 冲量耦合系数是数值计算空间碎片清除效果的重要参数。建立了激光烧蚀冲量耦合系数解析计算模型, 引入电离度参数, 将气化机制与等离子体机制两种机制下的冲量耦合系数解析计算模型联系起来, 建立统一的耦合系数解析模型。以空间碎片常见材料Al为例, 计算得到冲量耦合系数、电离度、激光功率密度三者之间的变化关系。随着激光功率密度的增加, 气化机制逐渐向等离子体机制过渡, 电离度增加, 直至完全电离, 冲量耦合系数先增加后减少, 并且在等离子机制占主导情况下达到最优冲量耦合。

为了加快激光等离子体微推进技术(μLPP)在航天领域的应用, 介绍了该项技术近10年的发展状况。讨论了激光等离子体微推进技术发展过程中衍生出的各种工作模式, 并简略分析了不同工作模式的优缺点。着重介绍了靶特性对激光微推进性能的影响, 包括靶材的选择、靶的结构、靶材掺杂, 以及靶物相特性等。针对该项技术的最终发展目标是研制微小卫星姿轨控的激光等离子体微推力器( μLPT), 介绍并分析了美国Phipps小组开展的激光微推力器的研制工作。最后, 指出了激光等离子体微推进技术目前存在的一些问题, 并展望了它的发展前景。