黏性液體在納秒脈沖激光燒蝕下的特性研究

張思齊, 梁 田, 高 華, 高 祿, 鄭志遠

(中國地質大學 數理學院， 北京 100083)

黏性液體在納秒脈沖激光燒蝕下的特性研究

張思齊, 梁 田, 高 華, 高 祿, 鄭志遠

(中國地質大學 數理學院， 北京 100083)

比較了甘油和蓖麻油在相同環境下與納秒脈沖激光相互作用的燒蝕特性,結果發現，蓖麻油的散射斑明顯大于甘油,而蓖麻油產生的壓力要小于甘油,這主要是由兩種液體的黏度系數、密度等物理性質的差異決定的。

黏滯系數； 黏性液體； 激光等離子體

激光推進概念于1972年提出[1]，其原理是利用強激光與物質相互作用,產生等離子體噴出,從而通過反作用力將激光的能量轉化為動能。與現有的化學火箭推進相比,激光推進在系統組成和能量轉化方式上都是不同的,并且擁有比沖大、成本低、載荷比高等獨特的優勢。近年來,這種新的推進方法已成為國內外的研究熱點[2-3]。激光推進技術中,與激光作用的靶材,可分為固體靶材、液體靶材和氣體靶材。2002年,東京理工學院的T.Yabe等[4]用水作為靶材,在脈沖能量590 mJ、脈寬5 ns 的YAG 激光器作用下,得到了3 500 N/MW的沖量耦合系數,這一結果大大促進了液體靶材的研究。中國科學技術大學的唐志平小組,采取在不同金屬基底材料上覆蓋不同厚度的水膜的辦法,將沖量耦合系數的最大值提高到了3 900 N/MW 左右[5-6]。中國科學院物理研究所的張杰小組通過較好地設計約束型靶結構,將液體水的沖量耦合系數提高到了500 N/MW ,相對于直接燒蝕提高了近2個數量級[7-10]。液體靶材的動量耦合系數較高,供給方便,但在激光燒蝕過程中產生的濺射大大限制了推進效率,這使得液體靶材的比沖普遍較低。為解決比沖低的問題,美國學者Sinko在實驗中采用小體積的容器來限制與激光相互作用的液體的量,洪延姬小組采用霧化水滴來控制液體的供給量[11-12],然而從結果來看,目前還無法達到實際應用的水平。Uchida等[13]在對二乙醚、水、乙二醇等液體進行了測量,并提及到了液體黏度對推進效果的影響。Fardel小組研究了液體聚合物在激光燒蝕后的濺射行為,認為合理黏度的液體是理想的液體推進材料。本文以甘油和蓖麻油這兩種黏度較大的液體為燒蝕對象,進行對比實驗,旨在進一步探究液體物性對激光推進參數的影響。

1 實驗

實驗裝置示意圖見圖1。盛放液體的容器是甲醛樹脂塊材,容器厚0.3 cm,直徑1 cm,中間有一個深度為0.25 cm、直徑為0.4 cm的凹槽,液體物質置于其中。實驗使用脈沖寬度為10 ns、波長為532 nm、最大能量為150 mJ的脈沖激光,經透鏡(f=500 mm,直徑Φ=50 mm)以45°聚焦到甲醛樹脂容器中液體表面。在激光的反射方向,以坐標紙作為接受屏,接受屏的方向正對焦點(圖1中聚光點),距離為5 cm。燒蝕過程中,濺出的液體在接受屏上形成散射斑,在坐標紙上進行觀察和測量。在靶的背后設置傳感器,同時測量靶材反沖產生的壓力。

2 結果與分析

由于甘油與蓖麻油的物理性質不同,特別是黏滯系數的不同,在激光燒蝕下呈現出不同的濺射特性。

圖1 實驗裝置示意圖

圖2是在32 ℃溫度下,甘油與蓖麻油散射斑的典型分布。從圖中可以得到它們的散斑大小、微滴尺寸、發散角等參量。

圖2 激光燒蝕甘油與蓖麻油產生的液滴典型分布圖

圖3是不同溫度下兩種靶材的散射斑大小比較。可以看出,散射斑的尺寸總體上隨溫度升高而增大。在溫度較低時,甘油的散射斑直徑大于蓖麻油,例如在7 ℃時,蓖麻油的散射斑直徑約為20 mm,而甘油約25 mm；溫度較高時,甘油的散射斑尺寸小于蓖麻油,例如43 ℃時,甘油約為75 mm,蓖麻油約為95 mm。

圖3 激光燒蝕蓖麻油和甘油在不同溫度下的散射斑直徑

液體靶材與脈沖激光相互作用產生等離子體,隨著等離子體的產生,部分沒有離化的液體會隨著等離子體的膨脹而濺射出來,濺射量的多少與入射激光波長、能量、液體黏度等多個參量相關,本文探討液體物性,特別是黏度和密度對濺射的影響。與常見的水比較,蓖麻油和甘油的黏滯系數對溫度非常敏感(見表1),例如在室溫20 ℃時,它們的黏滯系數分別為9 500 mPa·s 和1 412 mPa·s；而在30 ℃時,黏滯系數分別變為450 mPa·s 和620 mPa·s,而水由20 ℃上升到為30 ℃時,黏度系數僅從1.0 mPa·s降到0.8 mPa·s 。另一方面,密度也是影響濺射的一個因素。兩種液體質在激光燒蝕、濺射過程中的差異,正是與其物理性質上的差別密切相關。

表1 甘油與蓖麻油部分物性的對比

甘油的密度高于蓖麻油,而黏度大幅度低于蓖麻油。一般來說,黏度和密度越低,激光燒蝕后的濺射量越大。實驗結果表明,環境溫度較高時,蓖麻油的散射斑尺寸大于甘油,這說明在此范圍內,密度對燒蝕濺射起主導作用。當溫度較低時,液體黏度增大,黏度取代密度成為影響濺射的主要因素。

圖4為傳感器測得的甘油和蓖麻油在室溫20 ℃時受到不同能量激光燒蝕時產生的壓力對比。脈沖激光能量為80 mJ時,兩種靶材產生的壓力十分接近,均為10 N左右，隨著能量升高,燒蝕甘油產生的壓力快速增大,而蓖麻油壓力大大低于甘油；激光能量為160 mJ時,甘油產生的壓力約為95 N,蓖麻油則只有40 N。其原因是在該溫度下,甘油的黏滯系數小于蓖麻油,激光燒蝕后濺射出的燒蝕量大于蓖麻油。該濺射量雖然浪費了靶材,但卻起到了增加反沖的作用,提高了燒蝕壓力。

圖4 不同能量下激光燒蝕蓖麻油與甘油產生的壓力

3 結論

實驗中測量并對比了甘油與蓖麻油在脈沖激光燒蝕下的濺射情況。液體靶材的黏度和密度對濺射的影響很大,特別是液體黏度。可以通過溫度來實現對液體黏度的調節,從而實現對濺射的控制。這在激光燒蝕液體靶材的具體實驗中,可以有效降低濺射量、提高推進比沖。

References)

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[4] Yabe T, Phipps C, Yamaguchi M, et al. Microairplane propelled by laser driven exotic target [J].Appl Phys Lett,2002,80(23):4318-4320.

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Research on characteristics of viscosity liquid under ablation by using nanosecond pulse laser

Zhang Siqi, Liang Tian, Gao Hua, Gao Lu, Zheng Zhiyuan

(School of science,China University of Geosciences,Beijing 100083, China)

The characteristics of glycerol and castor oil on their interactions with laser are compared.It is shown that the scattering spots of castor oil are obviously larger than that of glycerol.The pressure of castor oil is less than that of glycerol generated by laser ablation.Based on the differences in physical properties between these two liquids,the result is discussed.

viscosity coefficient; viscosity liquid; laser plasma

2015- 01- 25 修改日期：2015- 03- 24

國家自然科學基金項目(10905049)；中央高校科研業務費(2010ZY52,2011YXL059)項目資助

張思齊(1990—)，男，山東德州，中國地質大學(北京)數理學院在讀研究生，研究方向為光學

E-mail：2119140011@cugb.edu.cn

鄭志遠(1975—)，男，山東濰坊，博士，副教授，研究方向為強激光與物質作用.

E-mail：zhyzheng@cugb.edu.cn

V439.1

B

1002-4956(2015)8- 0065- 03