纳秒脉冲激光斜入射辐照铝靶...离子体羽流及微冲量特性研究_于程浩.pdf

第 卷，第期 光谱学与光谱分析 ，年月 ，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 摘要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 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 作图法和 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 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；冲量耦合中图分类号：文献标识码：（）收稿日期：，修订日期：基金项目：国家自然科学基金项目（，）资助作者简介：于程浩，年生，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博士研究生 ：通讯作者 ：；引言激光烧蚀推进（，）可以远距离辐照空间目标，使目标表面产生高温高压等离子体羽流，羽流高速膨胀离开目标表面，根据动量守恒定律可知，目标会获得反冲冲量，最终实现空间操控的目的。激光烧蚀推进为空间碎片清除、空间非合作目标的消旋等热点空间领域提供了解决方案。激光烧蚀推进过程可以分为两个阶段：第一阶段，脉冲激光辐照靶面，部分激光能量被反射，其余激光能量在靶材表面沉积，导致辐照区温度升高；第二阶段，当辐照区靶材温度达到临界值时，靶材熔化并产生靶蒸气，靶蒸气进一步电离形成高温高压的等离子体，形成的等离子体羽流还会与后续激光相互作用，减弱激光能量与靶的耦合，导致等离子体屏蔽效应。由激光与物质相互作用过程可以发现，等离子体羽流对冲量耦合有着重要的影响，然而，关于等离子体羽流特性对激光烧蚀力学性能影响的研究依然很 少。脉 冲 激 光 烧 蚀 等 离 子 体 羽 流 特 性 受 激 光 波长、激光能量、激光光斑尺寸、激光入射角度、激光脉冲数量等因素影响。针对激光烧蚀推进的空间应用，国内外学者对脉冲激光烧蚀产生的冲量耦合特性进行了大量的研究，但是以往的冲量耦合机理研究多集中在激光参数（波长、脉宽等）、材料 等方面。近年来，随着对激光烧蚀 推 进 的 进 一 步 研 究，激 光 入 射 角 度 的 影 响 开 始 受 到关注。针对激光空间碎片清除等激光烧蚀推进应用背景，基于高时空分辨率的羽流观测系统、发射光谱测量系统，开展激光斜入射辐照下等离子体羽流喷射过程和发射光谱特性研究，通过建立扭摆微冲量实验测量系统，研究激光斜入射辐照下的冲量耦合特性，通过结合微观羽流喷射，分析了激光斜入射辐照下的冲量耦合机理。实验部分 实验系统脉冲激光斜入射辐照铝靶的实验系统示意图如图所示。由于扭摆的微小摆动会给光谱测量和羽流拍摄产生影响，因此，利用分束镜和反射镜将激光折转为两束，其中一束进行扭摆微冲量测量，另一束进行羽流和光谱的测量，最后进行耦合分析。利用 实现对激光器、相机以及光谱仪的时序控制，通过能量计实现对入射激光能量的实时监测。实验 过程中 保 持 真空 仓 内 压 强 为 ，使 用 :激光器作为烧蚀激光源辐照铝靶（），脉冲激光波长为 ，脉宽为。如图中所示的扭摆结构局部放大图，将铝靶固定在扭摆横梁顶部，入射激光方向保持固定，通过旋转靶片，实现相对入射角度控制，因此扭摆将测量得到烧蚀冲量沿着激光入射方向的分量。图实验系统示意图 发射光谱方法等离子体温度是研究等离子体羽流特性的重要参数之一，当激光烧蚀等离子体羽流满足局部热力学平衡条件时，可利用 作图法获得等离子体温度，选取同一电离态的多条特征谱线进行计算 （）（）（）（）式（）中，为谱线强度，为跃迁波长，为能级统计权重，为跃迁概率，为能级能量，为 常数，（）为总发射粒子数密度，（）为配分函数，为等离子体温度。在 光谱数据库中可获得，和等参数的值。利用图中拟合直线的斜率（），即可计算获得等离子体温度。对等离子体羽流电子数密度的研究，有助于分析脉冲激光烧蚀冲量耦合机制。对于电子数密度的计算，通常采用 展宽法，基于原子谱线或单电荷离子谱线的 展宽与电子数密度之间的简化关系为（）（）式（）中，为电子碰撞参量，为电子数密度。为 半高全宽，可通过 函数拟合光谱实验数据获得，典型特征谱线的 函数拟合如图所示。图 特征谱线的典型 斜线图 图 特征谱线的 函数拟合 利用 作图法进行等离子体温度求解的前提条件是等离子体羽流满足局部热力学平衡条件，实际情况中，往往先假设等离子体羽流满足局部热力学平衡条件，在计算获得等离子体温度和电子数密度后，再利用 标准判据验证假设是否成立 （）（）式（）中，是实验中计算获得的最大等离子体温度值，是计算等离子体温度时所用谱线的最大上下能级差。微冲量测量当高能脉冲激光辐照铝靶后，基于扭摆微冲量测量原理，利用传感器获得的扭摆横梁最大扭转角，即可计算获得脉冲激光烧蚀产生的微冲量。通常采用冲量耦合系数对冲量耦合性能进行评估，即冲量与入射激光能量的比值（）。光谱学与光谱分析第 卷结果与讨论 等离子体羽流高速摄影实验发现，等离子体羽流的持续时间为百纳秒左右，因此，将 相机门宽设置为 ，在脉冲激光辐照靶面后，开始记录整个等离子体羽流喷射过程。典型能量密度激光辐照铝靶后的自发光等离子体羽流图像如图所示。表示在激光入射角度为 时的能量密度，即垂直入射时对应的能量密度。而当激光斜入射角度为时，对应的能量密度为 。在入射角度为 时，自发光羽流的结构大致为半球形，并且随着能量密度的增加，发光强度明显增加，这可能是由于靶材的烧蚀率 和电离程度 的增加导致的。当入射角度为 ，时，等离子体羽流强度均随能量密度的增加而增强。在脉冲激光入射角度为，和 且激光能量密度较高时，出现了强自发光区域 等离子体“核”，这个区域是由于逆韧致吸收和多光子电离过程导致的，该区域形成后被认为可进一步吸收后续入射激光能量，从而形成等离子体屏蔽效应。由图还可以看出，随着激光入射角度的增加，羽流发光强度逐渐减弱，羽流沿着靶面法向的喷射减弱，而沿着平行靶面的方向喷射逐渐增强。图典型入射角度下，等离子体羽流图像随能量密度的变化 等离子体发射光谱为了进一步分析入射角度对羽流特性的影响，开展了等离子体羽流参数特性研究。当一束高能激光聚焦在目标靶片时，电子碰撞激发促使一小部分原子进入激发态，激发态具有不稳定性，随后向低能级或基态跃迁并向外发射出特征波长的光子。图给出了 范围内原子（）和离子（，）的 发射 光 谱，主 要 的 波 长 分 布 与 等 在相似实验工况下烧蚀铝靶获得的发射光谱结果基本一致。图 波长范围内的典型发射光谱 基于图获得的发射光谱实验结果，我们选取 ，以及 波长处的 分立谱线进行等离子体温度的计算，计算过程中涉及到的相关参数列于表中。对于光学薄等离子体来说，通常选用中性原子或者一价离子的 展宽进行电子数密度的计算。谱线展宽主要由 展宽、共振展宽、展宽三种主要的展宽机制导致，对于本实验中脉冲激光烧蚀铝靶产生的等离子体，展宽和共振展宽的影响与 展宽相比较小，可以忽略不计。在实验中，选用（，（）（）特征谱线的 展宽进行电子数密度的计算。综合考虑等离子体温度和电子数密度的计算需求，我们选取 波段和 波段开展光谱测量。表谱线相关参数 粒子类型波长 跃迁形式 （）（）（）（）（）（）（）（）实验中，通过调整光纤端部的聚焦透镜到等离子体羽流之间的距离，将整个等离子体羽流的辐射耦合到光纤中，并传输至光谱仪。使用 光栅进行光谱采集，狭缝设置为，从脉冲激光出光时刻开始启动光谱仪工作，门宽设置为。基于以上实验设置，获得了不同激光入射角度辐照铝靶时，发射光谱强度随能量密度的变化。如图所示，典型入射角度下，不同能量密度对应的发射光谱强度。可以发现，光谱强度随着能量密度的增加而增加，但是能量密度大于 后，发射光谱强度增幅减小。这是由于等离子体屏蔽效应导致的，即激光脉冲前沿产生的等离子体减弱了靶材对后续激光脉冲的吸收，使得光谱强度增幅减小。第期于程浩等：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图（）波段以及（）波段，不同能量密度下的典型光谱强度 （）（）脉冲激光斜入射辐照铝靶时，电子数密度随能量密度的变化趋势如图所示。可以看出，电子数密度随着能量密度的增加逐渐增加。这是因为随着能量密度的增加，脉冲激光烧蚀羽流从气化机制向离化机制转变。在低能量密度，烧蚀羽流以靶蒸气为主，随着能量密度的增加，靶蒸气进一步吸收激光能量，离化产生大量高温高密度等离子体，因此随着能量密度的增加，电子数密度也随之增加。当能量密度大于 时，电子数密度的增加逐渐减缓，原因是形成的等离子体逐渐增强，等离子体与激光发生强相互作用，通过逆韧致和多光子电离过程吸收入射激光能量，激光能量不能完全与靶耦合，导致与靶材的耦合效率降低，因而形成的电子数密度增加变缓，。由图还可以看出，随着激光入射角度的增加，电子数密度随之减小。对任何光源的温度测量可以提供关于光源中物理和化学现象等重要信息，研究激光烧蚀等离子体温度有助于更好地理解等离子体中复杂现象。图给出了等离子体温度随能量密度的变化。从图中可以看出，在低能量密度区，等离子体温度均比在高能量密度区增加得快。在低能量密度区，等离子体逆轫致辐射吸收系数较小，随着能量密度的增加，吸收系数迅速增大，这也导致了该区域等离子体温度快速的增加；而当 能 量 密 度 较 高 时，逆 轫 致 辐 射 吸 收 系 数 达 到 饱和，产生等离子体屏蔽效应，使得等离子体温度趋于饱和。当能量密度一定，随着入射角度的增加，等离子体温度逐渐降低。图不同入射角度对应的电子数密度随能量密度的变化关系 图不同入射角度对应的电子温度随能量密度的变化关系 为了进一步分析等离子体羽流的离化程度，开展了等离子体羽流光谱图像研究。基于图的特征谱线分布，我们选择中心波长为 、半带宽为 的带通窄带滤光片放置于 相机前，用于获得 （，和 ）的空间分布。图给出了典型能量密度辐照下的 组分空间分布。可以发现，羽流辐射强度随着能量密度的增加而增加，即烧蚀羽流的电离程度随之增加；当能量密度大于 时，羽流辐射强度增加不明显，这可能是因为羽流电离程度在能量密度较高时接近饱和。此外，随着入射角度的增加，羽流辐射强度逐渐降低。根据 标准验证发现，所有工况下测量到的电子密度均高于 准则设定的临界值，因此满足前期局部热力学平衡的假设。烧蚀冲量烧蚀冲量与能量密度的关系如图 所示。从图 光谱学与光谱分析第 卷中可以明显看出，当入射角度一定，冲量随能量密度的变化分为两个线性阶段。能量密度小于 为第一阶段，冲量随着能量密度的增加迅速增加。能量密度大于 为第二阶段，等离子体屏蔽效应 导致冲量的增加相比于第一阶段有所减缓。图不同入射角度对应的 羽流随能量密度的变化关系 图 不同入射角度对应的冲量随能量密度的变化关系 冲