强激光与粒子束
2021, 33(7): 073010
1 中国科学院 西安光学精密机械研究所 瞬态光学与光子技术国家重点实验室，陕西 西安 710119
2 中国科学院大学，北京 100049
3 华南理工大学 广东省半导体照明与信息化工程技术研究中心，广东 广州 510641
4 西北工业大学 电子信息学院 光学影像分析与学习中心，陕西 西安 710072
硫化锌（ZnS）晶体是重要的宽光谱红外窗口材料，高深径比纳米孔的超快激光制造技术为中红外波导傅立叶变换光谱仪等光子器件的实现提供了重要的技术途径。本文采用中心波长为1030 nm、重复频率为100 kHz、脉冲宽度为223 fs~20 ps可调的Yb: KGW激光光源，用石英锥镜产生高斯-贝塞尔光束，并用4f系统构建了40倍缩束的超快激光直写系统。在能量为36~63 μJ，脉宽为12.5~20 ps的情况下，在ZnS晶体上成功刻写了直径为80~320 nm的纳米孔结构。通过聚焦离子束（FIB）剥蚀和扫描电子显微镜（SEM）成像确定了纳米孔隙表面形貌、直径及深度信息。研究了激光脉冲能量、脉冲宽度对纳米孔隙的影响。结果表明，在20 ps脉冲宽度、48 µJ脉冲能量的激光参数下，纳米孔隙的深度约为270 μm。
硫化锌晶体 高深径比纳米孔 光子器件 高斯-贝塞尔光束 ZnS crystal high aspect ratio nanopores photonic devices Gaussian-Bessel beam
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
复合材料的抗激光烧蚀性能一般用烧蚀单位质量所需的激光能量（即烧蚀热）表征，这种表征方式忽略了激光强度与稳定性的影响。以C/SiC复合材料为例，在材料表面热化学平衡分析的基础上，基于复合材料激光烧蚀效应数值模拟程序，计算了不同参数下激光辐照复合材料的烧蚀热，分析了强度、频率、占空比等激光参数对烧蚀效率的影响。研究结果表明，烧蚀热与占空比、激光强度有关,与重复频率关系不大。激光强度越大，烧蚀热越小；占空比减小,单位烧蚀质量所需的能量增大，即烧蚀热随占空比的减小而增大;在平均功率密度及占空比相同的前提下，不同重复频率对加热影响很小。对C/SiC复合材料的激光烧蚀，相同平均功率密度下，激光强度不稳定性越大，烧蚀热的期望值越小。
激光技术 烧蚀热 C/SiC复合材料 激光参数 不稳定性 中国激光
2013, 40(11): 1103010
1 西北核技术研究所，陕西 西安 710024
2 激光与物质相互作用国家重点实验室，陕西 西安 710024
考虑材料的热解、氧化、相变及辐射和内外对流换热等物理过程，给出了激光烧蚀纤维增强复合材料的物理模型及数学模型。以碳纤维/环氧树脂复合材料为例，编程计算了材料的激光烧蚀过程，计算结果与实验结果符合得较好。计算结果表明：考虑复合材料的内对流时得到的结果更准确；较强功率密度激光辐照时，氧化对烧蚀的贡献可以忽略；功率密度一定时，烧蚀质量随时间近似为线性变化，功率密度越高，烧蚀效率越高。以辐照结束时背表面温度及烧蚀质量为目标物理量，对烧蚀过程做了参数敏感性分析，结果表明：热容及热导率对背表面温度的影响较大；树脂含量对烧蚀质量的影响较大，但其相对敏感度随激光功率密度增加而下降；激光功率密度超过1 kW/cm2时，辐射系数对烧蚀质量影响较大，但其相对敏感度随激光功率密度增加而下降。
纤维增强复合材料 激光烧蚀 氧化 内对流 数值模拟 fiber-reinforced composite material laser ablation oxidation inner convection numerical simulation
1 西北核技术研究所，陕西 西安 710024
2 激光与物质相互作用国家重点实验室，陕西 西安 710024
为了探索不同脉冲束辐照热-力学效应的相似性关系，同时为实验室开展激光模拟X射线热力学效应研究提供参考，分析了脉冲紫外激光(0.308 μm)和X射线辐照Al靶喷射冲量的异同性。首先，对二者辐照热-力学效应机理的异同性进行了比较；其次，理论和实验研究了两种脉冲束辐照Al靶引起的喷射冲量，对较低能注量(小于100 J/cm2)条件下两种脉冲束产生喷射冲量的大小进行了对比。研究结果表明，在低能量密度条件下(小于100 J/cm2)由于没有等离子体屏蔽现象，两种脉冲束辐照靶材产生喷射冲量的机理近似。相同能注量条件下，激光与X射线辐照Al靶产生的喷射冲量具有相同的数量级，均小于102。两种脉冲束在一定范围内具有一定的可比性。
脉冲紫外激光 X射线 铝靶 热-力学效应 喷射冲量 异同性 pulsed ultraviolet laser X-ray Al target thermo-mechanical effect blow-off impulse similarity and distinction
1 西北核技术研究所 第五研究室，陕西 西安 710024
2 激光与物质相互作用国家重点实验室，陕西 西安 710024
为了能通过背光面温度测量获得材料激光耦合系数，从傅里叶热传导方程出发，在一定的近似条件下推导出了不透明金属材料的表面激光耦合系数与背光面温升的关系表达式，给出了工程反演算法。采用两种不同的方法对反演算法进行了验证：一是用反演算法计算30CrMnSiA材料的1.3 μm激光耦合系数，与文献报道的实验测量值进行比较；另外是实验测量4 mm-30CrMnSi钢板的背光面温升，反演得到1.3 μm激光耦合系数随辐照时间和温度的变化，然后数值计算背光面温升并与原始实验测量结果进行比较。验证结果表明，借助于背光面测温反演激光耦合系数的方法可行，精度可以满足激光辐照效应研究的要求。
激光技术 激光耦合系数 反演算法 金属板 温度分布 laser technology laser coupling coefficient inversion algorithm metal plate temperature distribution
1 西北核技术研究所,陕西,西安,710024
2 西安电子科技大学,陕西,西安,710071
激光辐照在充内压圆柱壳体引起的破坏与萌生裂纹的扩展行为密切相关.本文尝试将"破前漏"(LBB)分析方法应用在激光辐照压力柱壳的断裂力学行为评价上,对激光辐照裂纹萌生后的扩展行为进行了讨论.考虑断裂韧性在温度加载条件下的变化规律,给出LBB分析中裂纹扩展的评价条件,并对结构可能出现的破坏模式进行了讨论.
激光辐照 LBB准则 裂纹扩展 内压柱壳
1 西安电子科技大学理学院, 西安 710071
2 西北核技术研究所第五研究室, 西安 710024
基于靶面温度分布测量反演激光强度时空分布的重构表达式中,被积函数包含的奇异阿贝尔核函数导致了求解积分表达式的病态和解的不稳定。为了解决这一积分求解问题,基于广义函数理论和正则变换方法,对积分函数进行了重新构造,获得了基于靶面温度时空分布测量反演入射激光强度分布的重构算法,并分析了重构结果对温度测量误差的敏感性。借助数值模拟方法对重构算法进行了验证,数值计算给出了重构强度误差与靶板厚度和辐照时间的关系。验证结果表明,两种背光面边界条件下反演获得的激光束时空分布,不仅与原始模型激光束达到了较好的一致,而且不受薄板条件的限制。算法对强激光辐照效应的靶面激光参量监测有实用性。
激光技术 激光强度场 温度时空分布 阿贝尔核函数 重构算法
1 西安电子科技大学理学院, 西安 710071
2 西北核技术研究所第五研究室, 西安 710024
为了把激光加热静止圆柱壳的实验测量结果应用到旋转圆柱壳的激光参量估计中,研究了旋转圆柱壳的激光加热效率。用积分变换法得到了旋转圆柱壳的温度分布,分析了最大温升点相对激光峰值强度点的滞后现象。基于静止圆柱壳和薄壳假设,导出了旋转圆柱壳激光加热效率及估计辐照时间的表达式。对于旋转金属圆柱壳,最大温升点相对激光峰值强度点的滞后角和激光加热效率取决于无量纲参量DR(柱壳半径R与束斑半径r0之比)、DL(横向热扩散尺度4ατL与束斑半径r0之比)及DM(加热时间τL与柱壳旋转频率fR的乘积)。达到相同的最大温升时,旋转圆柱壳的激光辐照时间和静止圆柱壳的激光辐照时间之间存在与激光功率无关的非线性关系,而激光功率决定了所需的绝对激光辐照时间。
激光技术 加热效率 激光参量 旋转圆柱壳 温度分布
1 西安电子科技大学理学院, 陕西 西安 710071
2 西北核技术研究所第五研究室, 陕西 西安 710024
为了在实验室设计激光辐照金属充压柱壳的损伤形态,对壳体损伤形态相关的靶面激光参数估计问题进行了研究。在忽略沿柱壳壁面热传导的条件下,给出了壳壁温度分布的解析表达式；根据随温度变化的材料力学参量和内压载荷,分析了壳体激光加热区内热裂纹的生成、稳定扩展和失稳扩展,推导出了壳体发生三种损伤形态的靶面激光参数估计表达式。针对30CrMnSi钢壳体进行了数值计算分析,数值结果与实验现象基本一致。研究结果表明,在给定目标特性条件下,充压柱壳激光辐照效应的损伤形态可以通过选择激光器参数来实验设计。
激光技术 靶面激光参数 热效应 损伤形态 充压柱壳
