为了研究纳秒脉冲激光与铝靶碎片的相互作用规律,建立了纳秒脉冲激光辐照铝靶碎片的动态响应仿真模型,采用COMSOL软件分析了不同作用时间和不同入射激光功率下的等离子体反喷羽流动力学特性,得到了不同激光参数变化对脉冲激光辐照铝靶碎片产生等离子体反喷羽流的演化规律。结果表明,相同脉冲激光功率作用下等离子体羽流反喷速度随作用时间的增加而增大; 相同脉冲激光时间作用下,随着激光功率增加,等离子体反喷羽流的最大速度也不断增大; 由于受等离子体屏蔽效应的影响,反喷羽流速度在25 μs附近达到最大,在700 kW时最大速率为1.87×104 m/s,此时等离子体反喷羽流扩散半径增加了17 mm。该研究为纳秒脉冲激光辐照铝靶空间碎片降轨移除工程化应用提供了理论参考。

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。

激光清除空间碎片利用的是高能脉冲激光烧蚀固体靶材的冲量耦合效应,对于空间碎片来说, 激光辐照下的反冲冲量取决于碎片等离子体羽流的喷射过程, 并且会随着激光辐照方向的变化而变化。因此, 有必要研究空间碎片激光辐照下的等离子体羽流特性。针对等离子体羽流的流场超高速、瞬态、强自发光背景、小尺度的技术难点, 采用纳秒级曝光、多幅照片精确拼接技术, 采用高速相机和激光器同步时序控制技术, 实现纳秒级时间分辨率、亚微米级空间分辨率的流场演化信息定量测量, 实验获得典型碎片材料等离子体羽流演化特性, 以及不同激光入射角度下的等离子体羽流演化过程, 实验结果可揭示反喷冲量形成规律。

利用激光方式清除低轨大量的厘米级空间碎片已经成为国际上的研究热点。激光清除空间碎片是巧妙地利用了碎片在激光辐照下的冲量耦合特性和冲量作用下的减速降轨特性。围绕着冲量耦合和减速降轨特性，讨论了激光辐照下空间碎片等离子体羽流喷射、激光辐照空间碎片冲量耦合效应测试、天基平台激光辐照下空间碎片轨道预测以及用于碎片清除的天基平台激光器参数设计四个关键问题，分析了涉及的技术难点，可采用的研究方法，以及能够实现的技术水平。通过对关键技术问题的探讨，为进一步开展天基激光清除碎片技术工程化奠定基础。

利用数字全息干涉术研究了微波等离子体推进器羽流场的分布特征,由所记录的羽流场的数字全息图,经数值再现,得到了羽流场的相位分布,进而计算出等离子体羽流场的电子数密度.通过相位倍增法增加了羽流场的干涉条纹密度,从而能够更直观地反映出羽流场的折射率分布.结果表明,数字全息干涉术是研究微波等离子体推进器羽流场的一种有效方法.