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激光烧蚀-吸收光谱测量铀同位素比实验研究

物理学报 2021年第16期70卷 90-99页

作者：叶浩黄印博王琛刘国荣卢兴吉曹振松黄尧齐刚梅海平中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所中国科学院大气光学重点实验室合肥230031 中国科学技术大学研究生院科学岛分院合肥230026 先进激光技术安徽省实验室合肥230037 中国原子能科学研究院放射化学研究所北京102413

铀同位素比(^(235)U/^(238)U)高精度测量在核能安全领域具有重要的研究意义和应用价值,本文基于高灵敏度可调谐吸收光谱技术,结合脉冲激光烧蚀产生等离子体的样品处理方式,实现了固体材料中^(235)U和^(238)U铀同位素比的高精度测量.实... 详细信息

铀同位素比(^(235)U/^(238)U)高精度测量在核能安全领域具有重要的研究意义和应用价值,本文基于高灵敏度可调谐吸收光谱技术,结合脉冲激光烧蚀产生等离子体的样品处理方式,实现了固体材料中^(235)U和^(238)U铀同位素比的高精度测量.实验测量选择l=394.4884 nm/394.4930 nm(vacuum)作为^(235)U/^(238)U分析线,详细研究了缓冲气体及其压力对激光烧蚀等离子体中铀原子存在时间的影响.结果表明氦气作为缓冲气体更有利于铀原子吸收光谱测量.实验获得了测量铀原子吸收光谱的最佳测量条件,并测量了^(235)U含量分别为4.95%,4.10%,3.00%,1.10%和0.25%的五种样品,获得了^(235)U和^(238)U的高分辨率吸收光谱信号.不同含量样品吸收光谱测量与统计分析表明,^(235)U吸收信号的线性度良好,拟合相关系数为0.989,检测限为0.033%(3s),吸收光谱测量重现性优于固定波长法.激光烧蚀结合可调谐吸收光谱技术适用于铀同位素比测量分析,在核燃料的同位素快速分析方面有很大的应用潜力.

关键词：激光烧蚀等离子体原子吸收光谱同位素比分析

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激光烧蚀固体CH材料的离子组份分离研究

物理学报 2023年

作者：陆云杰陶弢赵斌郑坚中国科学技术大学等离子体物理与聚变工程系南京工程学院数学与物理系 IFSA协同创新中心上海交通大学

本文从双离子组份等离子体的Landau-Fokker-Planck方程出发，通过Chapman-Enskog方法约化得到离子输运方程，求得双离子组份等离子体的离子输运系数，给出了计及离子扩散效应的完备离子流体方程；再结合一维辐射流体力学程序Multi-1D模... 详细信息

本文从双离子组份等离子体的Landau-Fokker-Planck方程出发，通过Chapman-Enskog方法约化得到离子输运方程，求得双离子组份等离子体的离子输运系数，给出了计及离子扩散效应的完备离子流体方程；再结合一维辐射流体力学程序Multi-1D模拟得到的烧蚀层的宏观状态，研究了激光烧蚀固体CH材料时的组份分离现象。本文的计算结果显示，离子组份分离对等离子体流体演化的影响小，基本可以忽略；但对于敏感依赖于离子组份的其他物理过程，如汤姆逊散射，离子组份分离的影响显著，这意味着研究激光等离子体相互作用时，离子组份分离必须予以考虑。

关键词：等离子体输运过程组份分离激光烧蚀辐射流体模拟

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激光烧蚀材料过程中的热效应分析

光学学报 2024年

作者：施舜泽张梦伢李凌上海理工大学能源与动力学院

激光加工材料时，瞬态热流密度极高，会产生显著的温差从而引起局部热应力，严重时会导致材料开裂。论文通过建立二维柱坐标系下的热力耦合模型研究了激光加工反应材料时材料内部的传热过程和热应力特性，分析了各应力沿径向和轴向的变... 详细信息

激光加工材料时，瞬态热流密度极高，会产生显著的温差从而引起局部热应力，严重时会导致材料开裂。论文通过建立二维柱坐标系下的热力耦合模型研究了激光加工反应材料时材料内部的传热过程和热应力特性，分析了各应力沿径向和轴向的变化规律的变化规律，在此基础上进一步探讨了激光功率对热应力的产生以及变化特性的影响。结果表明，热应力最大值在不同方向上的变化趋势并不相同，沿半径方向，径向应力和环向应力的最大值先增加而后又逐渐减小，而轴向应力最大值则不断增加；沿轴向方向，三种应力最大值都是先增大后减小，并逐渐趋于平缓。论文的研究结果有助于推进激光在加工反应材料中的应用。

关键词：激光光学激光烧蚀热力耦合模型传热特性应力分布

纳秒脉冲激光斜入射辐照铝靶等离子体羽流及微冲量特性研究

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光谱学与光谱分析 2023年第3期43卷 933-939页

作者：于程浩叶继飞周伟静常浩郭威航天工程大学宇航科学与技术系激光推进及其应用国家重点实验室北京101416

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... 详细信息

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。

关键词：激光烧蚀斜入射等离子体羽流高速摄影发射光谱等离子体屏蔽冲量耦合

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碳/碳复合材料的激光烧蚀行为与机制

复合材料学报 2022年第9期39卷 4337-4343页

作者：耿莉成溯付前刚李贺军西北工业大学材料学院西安710072 西安鑫垚陶瓷基复合材料有限公司工程研究中心西安710119

碳/碳(C/C)复合材料作为性能优良的耐烧蚀材料得到了广泛的应用,其作为抗激光烧蚀材料的潜力待被发掘。本文制备了不同密度的C/C复合材料,在无氧环境下以CO激光器为光源,探究了高能激光与C/C复合材料之间的作用机制,系统地分析了材料的... 详细信息

碳/碳(C/C)复合材料作为性能优良的耐烧蚀材料得到了广泛的应用,其作为抗激光烧蚀材料的潜力待被发掘。本文制备了不同密度的C/C复合材料,在无氧环境下以CO激光器为光源,探究了高能激光与C/C复合材料之间的作用机制,系统地分析了材料的特性和激光参数不同对烧蚀表现的影响。采用三维轮廓仪对线烧蚀率进行表征。结果表明,随着烧蚀时间或激光功率的变化,C/C复合材料的烧蚀表现均为非线性变化。C/C复合材料的本征特性决定了其热量载荷。密度越高的C/C复合材料,其热量载荷越高,烧蚀性能越好。热量载荷与激光热流密度之间的关系则决定了材料的烧蚀表现,当激光的热流密度大于材料的热流载荷时,烧蚀速率会呈阶跃式攀升。

关键词：碳/碳(C/C)复合材料激光烧蚀烧蚀速率机制热量载荷

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粒径对激光驱动颗粒溅射动力学特征的影响

物理学报 2022年第14期71卷 156-162页

作者：周毛吉李亚举钱东斌叶晓燕林平马新文中国科学院近代物理研究所兰州730000 先进能源科学与技术广东省实验室惠州516000 中国科学院大学北京100049 兰州大学兰州730000

激光脉冲辐照材料靶面产生的等离子体的演化过程会对靶面施加一脉冲式冲击压.当被辐照的靶材为离散颗粒堆积物时,激光冲击压在靶面能够驱动颗粒发生溅射现象.本文选用中值直径分别为84,109,184,234μm且具有窄粒径分布的干燥石英砂堆积... 详细信息

激光脉冲辐照材料靶面产生的等离子体的演化过程会对靶面施加一脉冲式冲击压.当被辐照的靶材为离散颗粒堆积物时,激光冲击压在靶面能够驱动颗粒发生溅射现象.本文选用中值直径分别为84,109,184,234μm且具有窄粒径分布的干燥石英砂堆积形成离散颗粒靶,并采用波长为1064 nm的Nd:YAG纳秒激光脉冲与其相互作用产生的冲击压驱动石英颗粒发生溅射,同时通过高速摄像机记录溅射过程,研究了粒径对激光驱动颗粒溅射动力学特征的影响.通过分析高速影像发现,激光驱动的颗粒溅射在时间尺度上可以分为两个特征明显的过程,即持续百微秒垂直于靶面方向的快速早期溅射过程和持续几十毫秒扇形颗粒帘结构的慢速后期溅射过程.前者对应的颗粒出射动能呈现出了随粒径的增加而增大的趋势,后者对应的沿径向扩张的帘底直径D随时间的演化规律遵循点源模型的描述:D(t)=αt^(β),系数α的拟合值随粒径的增加而减小,幂指数的拟合值却呈现出了随粒径增加而增大的趋势.通过细致考虑粒径依赖的颗粒在气流中的冲量耦合效率,以及粒径依赖的激光与颗粒靶相互作用产生的等离子体特征,对以上实验观察给予了合理的解释.本研究加深了人们对激光驱动颗粒溅射机理的认识.

关键词：激光烧蚀颗粒材料颗粒溅射颗粒粒径

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激光烧蚀硅基表面抗反射微结构的声信号监测

光学学报 2023年第9期43卷 221-232页

作者：黄维鹏周锐陈哲堃袁公发廖启乐厦门大学萨本栋微米纳米科学技术研究院福建厦门361005 中国福建能源材料科学与技术创新实验室福建厦门361005

为了提高抗反射硅表面制备的加工质量、缩短研制周期,提出了一种基于时频域处理的面向激光加工过程的声波信号在线监测及分析方法。利用声信号的时频谱图分析了0~30 kHz内的声信号与激光烧蚀形成的表面微结构特征尺寸之间的相关性,具体... 详细信息

为了提高抗反射硅表面制备的加工质量、缩短研制周期,提出了一种基于时频域处理的面向激光加工过程的声波信号在线监测及分析方法。利用声信号的时频谱图分析了0~30 kHz内的声信号与激光烧蚀形成的表面微结构特征尺寸之间的相关性,具体分析了激光功率及加工次数对微结构深度及声信号各频率幅值变化的影响。以声信号作为输入,基于人工神经网络对加工质量进行预测。实验结果表明:通过监测激光加工时产生的声信号能够明确反映被烧蚀硅表面是否形成周期性微结构,且微结构宽度不同,其对应的声信号频率组成也不同。在微结构宽度固定的情况下,归一化后的声信号特征参数随微结构深度线性变化,且受到激光功率变化的影响忽略不计。以硅基表面5%的反射率作为加工质量分界线,采用人工神经网络对加工质量的预测结果与实际测量结果的准确率可以超过90%。结果表明:声波在线监测可以有效应用于评估表面加工质量,为抗反射硅表面制备过程的实时监测提供了理论依据。

关键词：表面光学激光烧蚀抗反射硅基表面声发射信号实时监测人工神经网络

非晶态与晶态锆基合金对纳秒脉冲激光烧蚀响应的对比研究

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Acta Mechanica Sinica 2022年第2期38卷 181-190,I0002页

作者：宋破吴先前戴兰宏蒋敏强 State Key Laboratory of Nonlinear Mechanics Institute of MechanicsChinese Academy of SciencesBeijing 100190China School of Engineering Science University of Chinese Academy of SciencesBeijing 101408China Key Laboratory of Mechanics in Fluid Solid Coupling Systems Institute of MechanicsChinese Academy of SciencesBeijing 100190China

本文系统性地对比研究了非晶态与晶态锆基合金对纳秒脉冲激光的烧蚀响应,主要关注两种合金靶的多物理烧蚀过程以及靶表面烧蚀形貌.结果表明,激光诱导等离子体及其产生的冲击波动力学均符合理想爆轰波理论,并且与靶材原子拓扑结构无关.... 详细信息

本文系统性地对比研究了非晶态与晶态锆基合金对纳秒脉冲激光的烧蚀响应,主要关注两种合金靶的多物理烧蚀过程以及靶表面烧蚀形貌.结果表明,激光诱导等离子体及其产生的冲击波动力学均符合理想爆轰波理论,并且与靶材原子拓扑结构无关.两种合金靶在纳秒激光烧蚀中均承受显著的过热并最终发生爆炸沸腾.爆炸沸腾在靶表面形成一种多层级烧蚀形貌:由纳米孔洞广泛分布的微米凹坑.相比于晶态靶,非晶合金靶呈现出较浅的凹坑以及较小的纳米孔洞.这是由于非晶合金靶在激光烧蚀中具有较浅的热影响区,但过热程度较高.进一步研究发现,这种微纳多层级烧蚀形貌可有效调节两种合金靶的表面润湿性能,从初始亲水性改变为疏水性;非晶和晶态靶的表面接触角分别提高约119%和64%.本工作表明非晶合金对纳秒脉冲激光烧蚀具有更好的防护性能,并为非晶态或晶态合金的润湿性调节提供了一种可行且便捷的方法.

关键词：非晶合金锆基合金热影响区纳秒脉冲激光晶态合金激光诱导等离子体纳秒激光激光烧蚀

激光烧蚀掺杂金属聚合物羽流屏蔽特性数值研究

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物理学报 2016年第19期65卷 260-268页

作者：段兴跃李小康程谋森李干国防科学技术大学航天科学与工程学院长沙410073 解放军理工大学爆炸冲击防灾减灾国家重点实验室南京210007

激光烧蚀推进中,烧蚀羽流对入射激光的屏蔽效应是影响推进性能的重要因素;当采用掺杂金属聚合物作为工质时,易电离金属掺杂物的引入,使屏蔽效应更加明显.本文建立了激光烧蚀掺杂金属聚合物羽流飞散及电离、屏蔽模型,计算了3—40 J/cm^2... 详细信息

激光烧蚀推进中,烧蚀羽流对入射激光的屏蔽效应是影响推进性能的重要因素;当采用掺杂金属聚合物作为工质时,易电离金属掺杂物的引入,使屏蔽效应更加明显.本文建立了激光烧蚀掺杂金属聚合物羽流飞散及电离、屏蔽模型,计算了3—40 J/cm^2激光烧蚀掺杂微米铝颗粒聚甲醛工质的比冲,与实验数据对比表明模型能够有效模拟掺杂聚合物羽流的屏蔽特性.获得了不同激光能量密度下的电子数密度、吸收系数分布及屏蔽系数时间变化曲线.结果表明:低激光能量密度(5 J/cm^2)时,羽流屏蔽效应以未完全分解聚合物短链对入射激光能量的吸收为主;高激光能量密度(20 J/cm^2)下,羽流电子数密度逐步增大至1020m^(-3),形成明显的等离子体吸收,屏蔽系数的时间变化特征复杂.本文对掺杂金属聚合物烧蚀羽流的屏蔽特性进行了定量研究,可为激光烧蚀推进性能优化提供参考.

关键词：激光烧蚀掺杂金属聚合物屏蔽特性聚甲醛