激光輻照碳纖維的沖量耦合特性研究

于程浩， 常 浩， 周偉靜， 陳一夫

（航天工程大學， 激光推進及應用國家重點實驗室， 北京 101400）

0 引言

隨著人們空間活動的日益增加， 失效衛(wèi)星和火箭末級的殘骸、以及其碰撞產(chǎn)生的碎片，充滿了近地軌道以外的空間，嚴重影響了人們的空間探索活動[1]。 因此，近年來，空間碎片的清除已成為目前航天領域研究的熱點。其中，激光清除碎片由于其無污染、效率高等優(yōu)點，受到了越來越廣泛地關注[2-4]。 而目前國內(nèi)外主要研究脈沖激光燒蝕鋁等金屬材料的沖量耦合性能[5-8]，對于碳纖維等復合材料的沖量性能研究較少。

本文基于扭擺微沖量測量原理， 測量了脈沖激光燒蝕碳纖維材料的沖量， 并在此基礎上研究了碳纖維的沖量耦合特性。 為了更加精確地測量光斑尺寸，設計了脈沖激光燒蝕光斑尺寸測量分析方法。 此外，為了分析燒蝕羽流對沖量耦合特性的影響， 計算了不同能量密度下的羽流透射率。

1 實驗設計

微沖量測量系統(tǒng)如圖1 所示， 扭擺微沖量測量裝置放置于真空倉內(nèi)，實驗過程中保持倉內(nèi)壓力為10-3Pa。 實驗中使用的靶材為碳纖維T300， 當脈沖激光經(jīng)過聚焦鏡作用于扭擺上的靶材后， 扭擺由于受到反沖沖量的作用而擺動，扭擺的回復力由樞軸提供。 扭擺的角位移變化通過位移傳感器獲得，根據(jù)扭擺微沖量測量原理[9]可計算沖量大小。

圖1 實驗系統(tǒng)示意圖

燒蝕光源為鐳寶光電 （Beamtech） 公司生產(chǎn)的Nimma-900 型Nd：YAG 激光器，其輸出波長為1064nm。 通過光電探測器獲得的激光脈寬如圖2 所示， 激光器輸出激光的脈寬為8ns。 實驗中，激光器的輸出能量通過驅(qū)動電壓來控制，為了保證對激光能量的準確測量，利用分束鏡將一部分激光折轉到Coherent 公司FieldMax 型能量計探頭上，對激光能量進行實時監(jiān)測，記錄下每個脈沖激光的能量。每次脈沖激光燒蝕結束后，利用扭擺下方的二維電動平移臺改變靶片和及激光輻照區(qū)的相對位置， 使每次脈沖激光能夠作用于新的靶面位置。

圖2 脈寬測量結果示意圖

2 聚焦光斑尺寸測量

圖1 所示的實驗系統(tǒng)中， 聚焦鏡和靶片之間的距離是固定的，隨著激光能量的增加，燒蝕光斑尺寸是逐漸增加的。因此，我們需要對實驗中用到的每個激光能量所對應的燒蝕光斑進行測量，測量系統(tǒng)如圖3 所示。該測量系統(tǒng)主要分為三部分，能量檢測部分、光束質(zhì)量分析部分、燒蝕光斑測量部分。 能量檢測部分主要為由能量計及其探頭組成，保證對輸出激光能量的準確測量；光束質(zhì)量分析部分主要由激光能量衰減器、及光束質(zhì)量分析儀組成，用于對每個脈沖激光的光束質(zhì)量進行監(jiān)測， 典型的測量結果如圖4 所示，可以看出，該激光器輸出的脈沖激光束為較好的高斯光束； 燒蝕光斑測量部分主要基于鍍鋁膜鏡片進行燒蝕光斑尺寸的定義和測量。2017 年Tsuruta 等人[10]探索了脈沖激光聚焦光斑尺寸的定義方法，他們通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，利用熱敏紙進行光斑尺寸的定義時，存在明顯的熱效應， 導致實際的測量光斑略大于實際的光斑尺寸，并且由于材料燒蝕閾值的不同，相同條件下測量得到的光斑尺寸有所差異； 另一種常用的方法是利用光束質(zhì)量分析儀進行光斑尺寸的測量， 但測量結果會由于衰減器衰減比例的不同而存在差異；最終，他們定義了光斑尺寸測量方法： 利用鋁1050 這種材料進行光斑尺寸的定義， 通過測量鋁1050 表面的燒蝕痕跡獲得燒蝕光斑尺寸。本文在Tsuruta 等人[10]的研究基礎上，利用鍍鋁膜片進行燒蝕光斑尺寸的定義，該方法具有燒蝕痕跡明顯、便于測量等優(yōu)點。 利用該方法測量獲得的不同能量下的光斑尺寸如圖5 所示，可以看出，光斑尺寸隨著激光能量的增加而增大，并且在激光能量較高時，增加速度變緩。

圖3 燒蝕光斑測量系統(tǒng)示意圖

圖4 光束質(zhì)量分析儀典型結果

3 實驗結果分析

圖5 不同激光能量下的燒蝕光斑尺寸

3.1 沖量耦合特性

圖6 為不同能量密度激光輻照下的燒蝕沖量變化趨勢?？梢钥闯?，沖量隨能量密度的變化趨勢分為兩個階段， 在6J/cm2之前，燒蝕沖量隨著能量密度的增加迅速升高， 而在達到6J/cm2之后，燒蝕沖量隨著能量密度的增加而緩慢升高。

圖6 不同能量密度下的燒蝕沖量

圖7 不同能量密度下的沖量耦合系數(shù)

圖7 為沖量耦合系數(shù)隨能量密度的變化趨勢， 可以發(fā)現(xiàn)，沖量耦合耦合系數(shù)隨著能量密度的增加先急劇增加到最大值， 隨后逐漸減小，并且在6J/cm2處達到最大值72.58μN·s/J。脈沖激光燒蝕碳纖維獲得的沖量耦合系數(shù)隨能量密度的變化趨勢，與其他典型空間碎片材料的變化趨勢類似[11]。 一般認為沖量耦合系數(shù)的下降是由于等離子體屏蔽效應引起的，當能量密度大于6 J/cm2時，部分入射激光能量被等離子體羽流所吸收， 導致到達靶面參加燒蝕的激光能量有所降低， 因此沖量耦合系數(shù)隨能量密度的增加出現(xiàn)了下降的趨勢。

3.2 燒蝕羽流對沖量耦合特性的影響

為了進一步分析燒蝕羽流對沖量耦合特性的影響，我們研究了不同能量密度下的燒蝕羽流透過率。 羽流透過率方程如下[12]：

式中：φi—能量密度；τi—燒蝕羽流的透射率。φ0和φ1分別表示燒蝕碳纖維產(chǎn)生靶蒸汽的能量密度閾值、 實驗中使用的最低能量密度。當能量密度為φ1時，獲得的沖量耦合系數(shù)為Cm1。 羽流透射率隨能量密度的變化趨勢如圖8 所示，隨著能量密度的增加，羽流透射率先是急劇下降，在沖量耦合系數(shù)達到最大值時，羽流透射率減小到0.3，此時多數(shù)入射激光能量無法到達靶面進行耦合， 而是被等離子體羽流所吸收，這也解釋了沖量耦合系數(shù)下降的原因。隨著能量密度的進一步增加，羽流透射率減小變緩。 可以看出，沖量耦合系數(shù)下降階段對應著較低的羽流透射率。

圖8 不同能量密度下的羽流透射率及沖量耦合系數(shù)

4 結論

本文設計了脈沖激光燒蝕光斑尺寸測量分析方法，測量獲得了不同激光能量下的燒蝕光斑尺寸。 基于扭擺微沖量測量方法，測量了不同能量密度下的沖量，隨著能量密度的增加，沖量先是迅速增加，當能量密度達到6J/cm2后緩慢增加。在沖量結果的基礎上，研究了沖量耦合系數(shù)隨能量密度的變化趨勢，先是急劇增加，當能量密度達到6J/cm2后， 由于等離子體屏蔽效應而逐漸下降。 此外，分析了燒蝕羽流對沖量耦合特性的影響， 沖量耦合系數(shù)下降階段對應著較低的羽流透射率， 即此時多數(shù)激光能量被羽流吸收。