Author Affiliations
Abstract
1 College of Advanced Interdisciplinary Studies, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China
2 State Key Laboratory of Pulsed Power Laser Technology, Changsha 410073, China
We present a non-contact optical investigation of laser-induced plasma at moderate Ar pressure ranging from 1 to 100 Pa. The significant shock front and spatial fractionation among the different charged ions are demonstrated at the pressure of 20 Pa. The collisions between Si IV ions and ambient Ar atoms generate distinct and excited Ar II ions, fresh Si III ions, and electrons at the dense layer. The electron density peaks at the position of the shock front, indicating that the collision that yields electrons is dominant over the recombination process in the region of the shock layer and its immediate vicinity.
laser ablation moderate pressure shock wave front collision and recombination Chinese Optics Letters
2023, 21(2): 023001
Author Affiliations
Abstract
1 College of Advanced Interdisciplinary Studies, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China
2 Hunan Provincial Key Laboratory of High Energy Laser Technology, Changsha 410073, China
3 State Key Laboratory of Pulsed Power Laser Technology, Hefei 230037, China
In this paper, an effective method is proposed to generate specific periodical surface structures. A 532 nm linearly polarized laser is used to irradiate the silicon with pulse duration of 10 ns and repetition frequency of 10 Hz. Laser-induced periodic surface structures (LIPSSs) are observed when the fluence is and the number of pulses is 1000. The threshold of fluence for generating LIPSS gradually increases with the decrease of the number of pulses. In addition, the laser incident angle has a notable effect on the period of LIPSS, which varies from 430 nm to 1578 nm, as the incident angle ranges from 10° to 60° correspondingly. Besides, the reflectivity is reduced significantly on silicon with LIPSS.
laser-induced periodic surface structure nanostructures fluence number of pulses incident angle Chinese Optics Letters
2022, 20(1): 013802
1 国防科学技术大学 光电科学与工程学院, 湖南 长沙 410073
2 高能激光技术湖南省重点实验室, 湖南 长沙 410073
3 中航工业成都飞机设计研究所, 四川 成都 610091
针对铝合金基材设计了ZrO2陶瓷涂层, 采用976 nm连续波激光对样品的抗激光性能进行了测试。基材厚度为2.5 mm, 涂层厚度为0.3 mm, 实验测试时样品前表面加载了0.3 Ma切向空气流。记录了辐照区域后表面测点的温度变化情况, 测量了未辐照区与辐照区的反射率谱, 并进行了XPS成分分析。结果表明: 平均功率密度700 W/cm2的激光辐照60 s样品没有熔化; 辐照区域颜色变白, 对近红外光的反射率变大。颜色变白的原因可能是涂层表面沾染的含碳化合物在激光辐照过程中被热解或气化, 这与XPS检测结果相一致。
抗激光性能 ZrO2陶瓷涂层 反射率谱 XPS分析 切向气流 anti-laser performance ZrO2 ceramic coating reflectance spectrum XPS analysis 红外与激光工程
2017, 46(6): 0606002
国防科学技术大学 光电科学与工程学院，湖南 长沙 410073
采用三点弯曲法对六边形Nomex蜂窝夹层板在不同温度下的弯曲性能进行了研究。根据蜂窝芯的正交各向异性特征，分别取面内的两个主方向为长度方向制作了L试件和W试件。在25 ℃、50 ℃、100 ℃、150 ℃和180 ℃下开展了弯曲实验，确定了弯曲刚度与剪切刚度。结果表明：随着温度的升高，两个方向上的弯曲刚度与剪切刚度均明显下降；当温度升高到180 ℃时，弯曲刚度与剪切刚度均低于常温时的20%。对于蜂窝夹层板在横向力学载荷作用下的破坏模式，当温度低于50 ℃时，多出现面板凹陷；当温度达到150 ℃甚至更高时，多出现面板与蜂窝芯脱离并向外凸出。文中研究成果可以为Nomex蜂窝夹层板在变温或激光辐照下的工程应用提供参考。
Nomex蜂窝 夹层板 弯曲刚度 剪切刚度 Nomex honeycomb sandwich structure bending stiffness shear stiffness 红外与激光工程
2016, 45(1): 0120004
1 军事医学科学院 放射与辐射医学研究所, 北京 100850
2 国防科学技术大学 光电科学与工程学院, 长沙 410073
利用激光辐照靶目标时,被辐照部位可能是液体贮箱。通过实验测量与数值模拟的紧密结合,揭示了液体处于自然对流状态时激光辐照下贮箱侧壁温升及液体速度场的演化规律。结果表明：激光辐照初期,铝板中心温升率较高；随着壁面附近液体温度的升高,光斑附近速度边界层内的最大流速增大,传热强度亦增大,导致铝板温升率降低；当铝板吸收的激光能量能够基本被水的对流带走时,铝板中心的温升率趋于零。
激光与物质相互作用 液体贮箱 自然对流 粒子图像测速 laser-matter interaction liquid tank natural convection particle image velocimetry 强激光与粒子束
2015, 27(12): 121006
国防科学技术大学 光电科学与工程学院, 长沙 410073
实验研究了样品表面有切向空气气流、切向氮气气流和无气流时, 976 nm连续激光对玻璃纤维增强E-51环氧树脂复合材料的辐照效应。结果表明:无气流时, 喷出的热分解产物会对入射激光产生屏蔽作用; 有气流时, 激光对玻璃纤维的破坏方式是其升温熔化后再被切向气流带走; 当激光功率密度较低时, 切向空气气流以加强样品表面的对流冷却作用为主, 不利于激光对玻璃纤维复合材料的破坏; 当激光功率密度较高时, 切向空气气流以降低屏蔽作用和提供氧气助燃为主, 有利于激光对玻璃纤维复合材料的破坏。三种气流状态下, 质量损失随功率密度呈现单调增加趋势, 当入射激光功率密度在100~600 W/cm2范围内, 随着功率密度的增大, 激光能量的利用效率逐渐增大并趋于稳定。
激光辐照 切向气流 玻璃纤维复合材料 激光烧蚀 laser irradiation tangential flow glass fiber composite laser ablation
国防科学技术大学光电科学与工程学院， 湖南 长沙 410073
针对斜入射激光辐照光学薄膜的情况，将激光的电矢量正交分解为s偏振和p偏振，并从麦克斯韦方程组出发，求得激光在膜层中传输的电磁场分布，进而对薄膜的光学特性进行了数值分析。以高反膜为例，结果表明：随着入射角的增大，s偏振光的反射率、透射率和吸收率有微小的浮动；而p偏振光的反射率、透射率和吸收率有明显的变化，其反射率逐渐减小，透射率和吸收率逐渐增大；在高反膜中心波长附近，s偏振光和p偏振光均有一高反宽带，与s偏振光相比，p偏振光的宽带明显变窄，且p偏振光的吸收率相对较高。
薄膜 斜入射 s偏振 p偏振 光学学报
2011, 31(s1): s100114
国防科学技术大学 光电科学与工程学院, 长沙 410073
采用控制体积法，从质量和能量守恒角度，推导了激光辐照下复合材料树脂基热分解时温度变化的基本方程。用多步模型描述树脂的热分解反应。提出了热分解气体的1维运动假设，这使得可以在3维情况下考虑热分解气体对流传输的影响，且在不引入力学量的前提下实现3维温度场模型的封闭。考虑到树脂基复合材料的各向异性，对部分分解材料的导热率计算公式进行了推导，并重新推导了部分分解材料对激光的吸收系数计算公式。在一定的简化下，推导的能量守恒方程与文献结果一致。
激光辐照 树脂基复合材料 3维模型 热分解 对流传输 laser irradiation resin composite three-dimensional model thermal decomposition convective transport
国防科学技术大学 光电科学与工程学院，湖南 长沙 410073
研究了靶材表面存在和不存在切向空气气流时，975 nm连续激光对碳纤维增强树脂基复合材料的辐照效应。两种情况下靶材的动态响应过程明显不同，没有切向气流时，激光辐照1.28 s后，向外喷出的热分解产物在空气中燃烧，出现火焰同时伴有浓烟；有切向气流时，没有观察到带火焰和浓烟的燃烧现象，而是在激光辐照后的瞬间，激光作用区出现灼烧状亮斑，并间歇有少许颗粒向外喷出。分析认为，向外溢出的树脂基热分解产物会抑制氧气向靶材表面扩散，从而对碳纤维具有保护作用；切向气流的加载不仅会破坏热分解产物对碳纤维的保护作用，还会促使氧气到达碳纤维表面，进而导致碳纤维在较低的温度(约850 ℃)发生氧化烧蚀。
激光辐照 碳纤维复合材料 切向气流 氧化烧蚀 laser irradiation carbon-fiber composite tangential airflow oxidative ablation
国防科学技术大学 光电科学与工程学院, 长沙 410073
为了考察切向强迫气流对激光辐照下树脂基复合材料热响应的影响, 基于边界层换热理论, 研究了切向气流与靶面的对流换热系数和热分解气体对表面热交换的覆盖效应, 并用有限差分法对激光辐照下树脂基复合材料的1维热响应模型进行数值求解。数值计算表明：高速切向气流的存在会加速靶材表面与外部环境的热交换, 从而明显降低激光对靶材的加热效率;边界层换热理论给出的对流换热系数和覆盖因子是合理有效的, 适用于数值模拟切向气流对激光辐照下树脂基复合材料热响应的影响;向靶材表面溢出的热分解气体对靶材表面与外部环境的热交换有一定的抑制作用, 但影响较小, 基本可以忽略不计。
激光辐照 树脂基复合材料 切向气流 热分解 覆盖效应 laser irradiation resin composite tangential airflow pyrolysis blanketing effect 强激光与粒子束
2010, 22(12): 2848
