纳秒激光烧蚀冲量耦合数值模拟

常浩; 金星; 陈朝阳

doi:10.7498/aps.62.195203

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为研究激光烧蚀靶产生冲量过程和机理, 建立了一个复杂的一维热传导和流体动力学模型. 以空间碎片常见材料Al为例, 用建立的模型数值计算了纳秒脉宽激光烧蚀靶产生的冲量及冲量耦合系数随时间变化情况. 数值结果和已有的实验数据符合的较好. 数值计算表明: 激光脉冲时间内, 靶获得的冲量随时间迅速增加, 在脉冲时间结束后, 冲量变化随时间趋于稳定; 在冲量耦合过程中, 烧蚀等离子体向真空膨胀, 羽流尺度逐渐增大, 同时吸收入射激光能量, 导致激光与靶耦合的能量降低.

关键词:

作者及机构信息

1.
装备学院, 激光推进及其应用国家重点实验室, 北京 101416;

2.
北京化工大学, 物理学院, 北京 100029

基金项目: 国家自然科学基金(批准号:11102234)资助的课题.

参考文献

[1]	Campbell J W 1996 NASA technical memorandum 108522
[2]	Phipps C R, Albrecht G, Friedman H, Gavel D, George E V, Murray J, Ho C, Priedhorsky W, Michaelis M M, Reilly J P 1996 Laser and particle beams 14 1
[3]	Rubenchik A, Barty C, Beach R 2010 LLNL-PROC 423323
[4]	Early J T, Bibeau C, Phipps C R 2004 High-Power Laser Ablation V Taos, NM, United States, April 25-30, 2004 p441
[5]	Bruno Esmiller, Christophe Jacquelard 2011 Beamed Energ Propulsion: Seventh International Symposium Ludwigsburg, Germany, April 10-14, 2011 p347
[6]	Jin X, Hong Y J, Li X Q 2012 High Power Laser and Particle Beams 24 281 (in Chinese) [金星, 洪延姬, 李修乾 2012 强激光与粒子束 24 281]
[7]	Jin X, Chang H, Hong Y J, Li X Q 2012 High Power Laser and Particle Beams 24 1956 (in Chinese) [金星, 常浩, 洪延姬, 李修乾 2012 强激光与粒子束 24 1956]
[8]	Chang H, Jin X, Hong Y J 2012 Acta Aeronautica et Astronautical Sinica 33 984 (in Chinese) [常浩, 金星, 洪延姬 2012 航空学报 33 984]
[9]	Phipps C R, Luke J R, Lippert T 2004 Appl. Phys. A 79 1385
[10]	Bogaerts A, Zhaoyang Chen, Renaat G, Akos V 2003 Spectro chimica Acta 58 1867
[11]	Chen Z Y, Annemie Bogaerts 2005 J. Appl. Phys. 97 063305
[12]	Annemie Bogaerts, Chen Z Y, David Bleiner 2006 Journal of Analytical Atomic Spectrometry 21 384
[13]	Autrique D, Zhaoyang Chen, Alexiades V, Bogaerts A, Rethfeld B 2012 International Symposium on High Power Laser Ablation New Mexico, USA, April 30-May 3 2012 p648
[14]	Phipps C R, Birkan M, Bohn W L 2010 Journal of Propulsion and Power 26 609
[15]	Madhusudhan Kundrapu, Michael Keidar 2009 J. Appl. Phys. 105 083302
[16]	Gusarov A V, Gnedovets A G, Smurov I 2000 J. Appl. Phys. 88 4352
[17]	Takeharu Sakai 2009 Journal of Propulsion and Power 25 406
[18]	Kohei Anju, Keisuke Sawada, Akihiro Sasoh 2008 Journal of Propulsion and Power 24 322
[19]	Saravanakanthan Rajendran, Michael Keidar, Iain D B 2007 38th AIAA Plasmadynamics and lasers conference Miami, Florida, United States June 25-28 2007 p1
[20]	Zhang P B, Qin Y, Zhao J J, Wen B 2010 Acta Phys. Sin. 59 7120 (in Chinese) [张朋波, 秦颖, 赵纪军, 温斌 2010 物理学报 59 7120]

施引文献

[1]	Campbell J W 1996 NASA technical memorandum 108522
[2]	Phipps C R, Albrecht G, Friedman H, Gavel D, George E V, Murray J, Ho C, Priedhorsky W, Michaelis M M, Reilly J P 1996 Laser and particle beams 14 1
[3]	Rubenchik A, Barty C, Beach R 2010 LLNL-PROC 423323
[4]	Early J T, Bibeau C, Phipps C R 2004 High-Power Laser Ablation V Taos, NM, United States, April 25-30, 2004 p441
[5]	Bruno Esmiller, Christophe Jacquelard 2011 Beamed Energ Propulsion: Seventh International Symposium Ludwigsburg, Germany, April 10-14, 2011 p347
[6]	Jin X, Hong Y J, Li X Q 2012 High Power Laser and Particle Beams 24 281 (in Chinese) [金星, 洪延姬, 李修乾 2012 强激光与粒子束 24 281]
[7]	Jin X, Chang H, Hong Y J, Li X Q 2012 High Power Laser and Particle Beams 24 1956 (in Chinese) [金星, 常浩, 洪延姬, 李修乾 2012 强激光与粒子束 24 1956]
[8]	Chang H, Jin X, Hong Y J 2012 Acta Aeronautica et Astronautical Sinica 33 984 (in Chinese) [常浩, 金星, 洪延姬 2012 航空学报 33 984]
[9]	Phipps C R, Luke J R, Lippert T 2004 Appl. Phys. A 79 1385
[10]	Bogaerts A, Zhaoyang Chen, Renaat G, Akos V 2003 Spectro chimica Acta 58 1867
[11]	Chen Z Y, Annemie Bogaerts 2005 J. Appl. Phys. 97 063305
[12]	Annemie Bogaerts, Chen Z Y, David Bleiner 2006 Journal of Analytical Atomic Spectrometry 21 384
[13]	Autrique D, Zhaoyang Chen, Alexiades V, Bogaerts A, Rethfeld B 2012 International Symposium on High Power Laser Ablation New Mexico, USA, April 30-May 3 2012 p648
[14]	Phipps C R, Birkan M, Bohn W L 2010 Journal of Propulsion and Power 26 609
[15]	Madhusudhan Kundrapu, Michael Keidar 2009 J. Appl. Phys. 105 083302
[16]	Gusarov A V, Gnedovets A G, Smurov I 2000 J. Appl. Phys. 88 4352
[17]	Takeharu Sakai 2009 Journal of Propulsion and Power 25 406
[18]	Kohei Anju, Keisuke Sawada, Akihiro Sasoh 2008 Journal of Propulsion and Power 24 322
[19]	Saravanakanthan Rajendran, Michael Keidar, Iain D B 2007 38th AIAA Plasmadynamics and lasers conference Miami, Florida, United States June 25-28 2007 p1
[20]	Zhang P B, Qin Y, Zhao J J, Wen B 2010 Acta Phys. Sin. 59 7120 (in Chinese) [张朋波, 秦颖, 赵纪军, 温斌 2010 物理学报 59 7120]

[1]	周瑜, 操礼阳, 马晓萍, 邓丽丽, 辛煜. 脉冲射频容性耦合氩等离子体的发射探针诊断. 物理学报, 2020, (): . doi: 10.7498/aps.69.20191864
[2]	罗菊, 韩敬华. 激光等离子体去除微纳颗粒的热力学研究. 物理学报, 2020, (): . doi: 10.7498/aps.69.20191933
[3]	杨进, 陈俊, 王福地, 李颖颖, 吕波, 向东, 尹相辉, 张洪明, 符佳, 刘海庆, 臧庆, 储宇奇, 刘建文, 王勋禺, 宾斌, 何梁, 万顺宽, 龚学余, 叶民友. 东方超环上低杂波驱动等离子体环向旋转实验研究. 物理学报, 2020, 69(5): 055201. doi: 10.7498/aps.69.20191716
[4]	朱存远, 李朝刚, 方泉, 汪茂胜, 彭雪城, 黄万霞. 用久期微绕理论将弹簧振子模型退化为耦合模理论. 物理学报, 2020, (): . doi: 10.7498/aps.69.20191505
[5]	周峰, 蔡宇, 邹德峰, 胡丁桐, 张亚静, 宋有建, 胡明列. 钛宝石飞秒激光器中孤子分子的内部动态探测. 物理学报, 2020, (): . doi: 10.7498/aps.69.20191989
[6]	刘厚通, 毛敏娟. 一种无需定标的地基激光雷达气溶胶消光系数精确反演方法. 物理学报, 2019, 68(7): 074205. doi: 10.7498/aps.68.20181825
[7]	周旭聪, 石尚, 李飞, 孟庆田, 王兵兵. 利用双色激光场下域上电离谱鉴别H32+ 两种不同分子构型. 物理学报, 2020, (): . doi: 10.7498/aps.69.20200013
[8]	赵珊珊, 贺丽, 余增强. 偶极玻色-爱因斯坦凝聚体中的各向异性耗散. 物理学报, 2020, (): . doi: 10.7498/aps.69.20200025
[9]	刘丽, 刘杰, 曾健, 翟鹏飞, 张胜霞, 徐丽君, 胡培培, 李宗臻, 艾文思. 快重离子辐照对YBa2Cu3O7-δ薄膜微观结构及载流特性的影响. 物理学报, 2020, (): . doi: 10.7498/aps.69.20191914
[10]	卢超, 陈伟, 罗尹虹, 丁李利, 王勋, 赵雯, 郭晓强, 李赛. 纳米体硅鳍形场效应晶体管单粒子瞬态中的源漏导通现象研究. 物理学报, 2020, (): . doi: 10.7498/aps.69.20191896

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纳秒激光烧蚀冲量耦合数值模拟

1. 装备学院, 激光推进及其应用国家重点实验室, 北京 101416;

2. 北京化工大学, 物理学院, 北京 100029

基金项目:

国家自然科学基金(批准号:11102234)资助的课题.

收稿日期: 2013-04-16

修回日期: 2013-06-17

刊出日期: 2013-10-05

摘要: 为研究激光烧蚀靶产生冲量过程和机理, 建立了一个复杂的一维热传导和流体动力学模型. 以空间碎片常见材料Al为例, 用建立的模型数值计算了纳秒脉宽激光烧蚀靶产生的冲量及冲量耦合系数随时间变化情况. 数值结果和已有的实验数据符合的较好. 数值计算表明: 激光脉冲时间内, 靶获得的冲量随时间迅速增加, 在脉冲时间结束后, 冲量变化随时间趋于稳定; 在冲量耦合过程中, 烧蚀等离子体向真空膨胀, 羽流尺度逐渐增大, 同时吸收入射激光能量, 导致激光与靶耦合的能量降低.

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