激光燒蝕中碳含量對甘油濺射特征的影響

張思齊， 梁 田， 鄭志遠

(中國地質大學 數理學院， 北京 100083)

激光燒蝕中碳含量對甘油濺射特征的影響

張思齊， 梁 田， 鄭志遠

(中國地質大學 數理學院， 北京 100083)

研究了激光等離子體推進中摻碳甘油在納秒脈沖激光燒蝕后的燒蝕濺射特征。以石墨塊材容器盛放不同質量分數的摻碳甘油工質，在波長1 064 nm，脈沖10 ns的YAG激光器不同能量的燒蝕下，分別進行靶動量、摻碳甘油散射斑和質量損失的采集。結果發現,隨著激光能量的增強，濺射的甘油總量增加，液滴變小；隨碳含量的增加，甘油濺射量明顯降低，在碳含量達到5%時，觀察不到甘油的濺射。該結果表明，碳摻雜能有效降低濺射量，但動量耦合系數與推進比沖隨濺射量的減少也相應的降低，這是由于靶動量的產生主要來自于伴隨等離子體產生而發生的液體濺射，同時摻碳甘油中聚焦點的轉移也起到了部分作用。

激光燒蝕； 碳摻雜甘油； 濺射

0 引 言

激光等離子體推進技術是近幾年發展起來的一種新型推進技術，它是利用強激光燒蝕靶材表面產生高速噴射的等離子體，在等離子體噴射的反方向產生一個推力，該推力作為一種新型的推進源而受到諸多研究者的關注。作為被激光燒蝕的靶材料，到目前為止，進行了很多嘗試，如各種金屬、高分子材料、液體等。其中液體靶材由于高的耦合系數及便于儲存等特點而成為一種理想選擇[1-6]。例如Zheng等[7-8]用激光燒蝕水，取得了3.5 mN/W的耦合系數；蔡建等[9]在鋁襯底上燒蝕水，發現能大幅度提高水的耦合系數。但對于液體靶材而言，伴隨等離子體的噴射，多數未離化的液體也隨之消耗掉，消耗部分占總量的比例高達95%，這將大幅度降低推進的比沖，目前實驗上獲得的數值僅為幾s。為解決液體濺射問題，張翼等[10]利用在液體水中摻雜墨水，使得比沖提高到了19 s；洪延姬等[11-12]采用霧化水滴來控制液體的供給量，使比沖提高到幾十s；Fardel等[13]提高液體聚合物的黏度來降低濺射，其濺射圖像明顯地表明液體可以有效降低濺射量；Zheng等[14]發現水的黏性與比沖成近線性關系。最近,秦承泰等[15]提出甘油中摻雜碳來降低濺射的方法。

本文采用黏度較高的甘油作為燒蝕液體，同時通過摻雜不同濃度的碳粉來進一步提高對入射激光的吸收，提高耦合系數，并對燒蝕后的濺射形貌、微滴分布、質量損失、推進比沖等特征進行了表征和測量。通過對黏性液體濺射特征的研究，獲悉摻雜方式在提高推進比沖中的作用。

1 實驗部分

實驗裝置如圖1所示。盛放液體的容器是3 mm×8 mm×5 mm的石墨塊材，中間有一個深度0.25 cm，直徑1.5 cm的凹槽，甘油置于其中。實驗中使用的激光脈沖寬度10 ns，波長1 064 nm，最大能量600 mJ，激光脈沖經透鏡(f=200 mm,φ=50 mm)垂直入射到甘油表面。在距離靶材45 mm的位置，放置直徑40 mm，厚度1 mm的透明玻璃片作為接收屏。燒蝕過程中，濺出的液體在接收屏上形成散射斑，通過CCD記錄散射斑，然后利用計算機獲得濺射特征。

實驗中涉及到的靶動量是通過單探測光裝置獲得[11-12]。激光的單發(即單次脈沖)燒蝕質量損失是通過精度為0.01 mg的電子天平獲得的，每個數值都是5次的平均值。實驗中的碳含量指的是質量分數含量，分別為0.1%, 0.5%, 1.0%, 3.0%和 5.0%。

圖1 實驗裝置示意圖

2 結果及分析

圖2是不同碳含量的甘油在激光燒蝕后的典型濺射斑。可以看出，散射斑上微滴的數量隨著碳含量的增加而逐漸減少。特別是在含量為5%的情況下，接收屏上基本看不到濺射出的微滴。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。本實驗中之所以選取甘油作為燒蝕液體，原因就是因為甘油具有的高黏度系數，可以大幅度降低其濺射量;再者，摻雜的碳能夠增加對入射激光1 064 nm的吸收。通過在高黏度的液體中摻雜來提高比沖的方法，是近幾年提出的降低液體濺射的有效方法之一[13]。

(a) 0%

(b) 0.1%

(c) 0.5%

(d) 1.0%

(e) 5.0%

圖2 不同碳含量下激光燒蝕后的濺射斑分布

為進一步探究碳摻雜對甘油濺射的影響，對比了純甘油與碳含量為1%的甘油在不同入射激光能量下的濺射斑，如圖3所示。可以看出，隨著入射激光能量的增加，純甘油與摻碳甘油的濺射量都有所增加，同時兩者的濺射微滴尺寸都有所降低;另一方面，摻碳后的濺射微滴尺寸明顯大于為摻碳的純甘油的微滴尺寸。這表明，甘油摻碳后，黏度增加;而高的黏度將有效降低濺射量。

為定量表征碳含量對燒蝕質量的影響，對不同碳含量下激光單發的燒蝕損失量以及損失量占總量的百分比進行了測量，如圖4、5所示，其中的0%含量對應于純的甘油。從圖4看出，隨著碳含量的增加，激光燒蝕的濺射量明顯降低，例如純甘油的單發質量損失為1.8 mg/發，而5%碳含量甘油的每發質量損失減少為0.7 mg/發。這樣的結果與圖2中從接收屏看到的結果是一致的。圖5給出了激光燒蝕后殘留的甘油與總甘油量的比值，由于濺射量的降低，殘留量隨著碳含量的增加，比例明顯上升。在5%的碳摻雜中，殘留量達到了60%以上，大部分甘油依然存留。

圖4 不同碳含量下，激光每發的燒蝕量

圖5 不同碳含量的甘油在激光燒蝕后殘留量占燒蝕總量的百分比

圖6 不同碳含量下產生的動量

圖7 不同碳含量下產生的比沖

比沖定義為消耗單位質量的靶材所產生的靶動量。圖6、7為不同碳含量的甘油產生的靶動量及比沖。由圖6可以看出，靶動量是隨碳含量的增加而減少，由純甘油的17 g·cm/s降到2 g·cm/s。雖然隨著碳含量的增加，靶動量呈現降低趨勢，但由推進比沖的定義可知，比沖的具體數值還與損失的質量密切相關。根據圖4得到的激光燒蝕單發對應的質量損失，以及圖6給出的靶動量，碳含量對比沖的影響可由圖7得到。可以看出，獲得比沖依然在10 s以下。該結果表明，碳摻雜能夠有效降低液體甘油的濺射，但相對應的靶動量也減小。

在激光與液體靶材相互作用中，伴隨等離子體的產生，等離子體的膨脹，大部分未離化的液體也隨之濺射。靶動量來自于兩部分：一部分是等離子體的噴射；第二部分是其他液體的噴射。該實驗結果說明高耦合系數產生的主要原因是來自伴隨等離子體產生的液體濺射，而不是等離子體本身的噴射。在本實驗中，碳含量的增高改變了入射激光的聚集位置以及聚集的峰值功率。在純甘油中，入射激光可以聚焦到液體底部，使得大部分液體濺射出來，殘留量很少。由于含碳甘油對激光是不透明的，使得激光的聚焦位置由液體底部逐步移動到液體表面。特別是含碳量高的甘油，這種現象更加明顯，使得等離子體產生在液體表面，液體本身的損耗也隨之降低。

3 結 語

通過在高黏性的液體中摻雜來解決液體靶材的濺射問題，是提高推進比沖的一種思路。本研究中，摻雜的碳能有效地降低甘油的濺射，特別是對于高比例的碳摻雜幾乎消除了液體的濺射。但在該過程中，靶動量的很大一部分來自于伴隨等離子體產生而發射的濺射，而等離子體本身的噴射對靶動量的貢獻很小。

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Impact of Carbon Content in Carbon-doped Glycerol upon Laser Ablation Sputtering Characteristics

ZHANGSiqi,LIANGTian,ZHENGZhiyuan

(School of Science, Chinese University of Geosciences, Beijing 100083, China)

Characteristics of the carbon-doped glycerol ablated by nanosecond laser pulse at different carbon contents are investigated at laser plasma propulsion. A graphite block vessel filled with carbon-doped glycerol is served as the propellant. The target momentum and the sputtering spot as well as the mass loss are melted and ablated by a YAG laser at different energy with 1064nm wavelength and 10ns pulse duration. Results show that with the energy increasing, the mass loss increases and the sizes of the droplet becomes smaller. Furthermore, the ejection volume decreases with the carbon content increasing. Glycerol sputtering cannot be observed at the carbon content of 5%. It means that carbon-doped glycerol can reduces the sputtering efficiently. However, the coupling coefficient and specific impulse present decreasing tendency in this process. This is because that the target momentum is mainly determined by the glycerol ejection, as well as the laser focus position is varied by the doped carbon.

laser ablation； carbon-doped glycerol； sputtering

2016-06-02

國家自然科學基金項目(10905049);中央高校基本科研業務費(53200859165, 2562010050)項目資助

張思齊(1990-)，男，山東德州人，碩士生，主要研究方向為光學。

Tel.：13439763667； E-mail：2119140011@cugb.edu.cn

鄭志遠(1975-)，男，山東濰坊人，副教授，主要研究方向為強激光與物質作用。

Tel.：010-82322379； E-mail：zhyzheng@cugb.edu.cn

TN 249

A

1006-7167(2017)02-0026-04