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(xué)， 激光推進(jìn)及應(yīng)用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 101400）

0 引言

隨著人們空間活動(dòng)的日益增加， 失效衛(wèi)星和火箭末級(jí)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(yán)重影響了人們的空間探索活動(dòng)[1]。 因此，近年來，空間碎片的清除已成為目前航天領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。其中，激光清除碎片由于其無污染、效率高等優(yōu)點(diǎn)，受到了越來越廣泛地關(guān)注[2-4]。 而目前國(guó)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(duì)于碳纖維等復(fù)合材料的沖量性能研究較少。

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

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

微沖量測(cè)量系統(tǒng)如圖1 所示， 扭擺微沖量測(cè)量裝置放置于真空倉(cāng)內(nèi)，實(shí)驗(yàn)過程中保持倉(cāng)內(nèi)壓力為10-3Pa。 實(shí)驗(yàn)中使用的靶材為碳纖維T300， 當(dāng)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(dòng)，扭擺的回復(fù)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(cè)量原理[9]可計(jì)算沖量大小。

圖1 實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)為1064nm。 通過光電探測(cè)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(shí)驗(yàn)中，激光器的輸出能量通過驅(qū)動(dòng)電壓來控制，為了保證對(duì)激光能量的準(zhǔn)確測(cè)量，利用分束鏡將一部分激光折轉(zhuǎn)到Coherent 公司FieldMax 型能量計(jì)探頭上，對(duì)激光能量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，記錄下每個(gè)脈沖激光的能量。每次脈沖激光燒蝕結(jié)束后，利用扭擺下方的二維電動(dòng)平移臺(tái)改變靶片和及激光輻照區(qū)的相對(duì)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(cè)量結(jié)果示意圖

2 聚焦光斑尺寸測(cè)量

圖1 所示的實(shí)驗(yàn)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(duì)實(shí)驗(yàn)中用到的每個(gè)激光能量所對(duì)應(yīng)的燒蝕光斑進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量系統(tǒng)如圖3 所示。該測(cè)量系統(tǒng)主要分為三部分，能量檢測(cè)部分、光束質(zhì)量分析部分、燒蝕光斑測(cè)量部分。 能量檢測(cè)部分主要為由能量計(jì)及其探頭組成，保證對(duì)輸出激光能量的準(zhǔn)確測(cè)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(duì)每個(gè)脈沖激光的光束質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)， 典型的測(cè)量結(jié)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(cè)量部分主要基于鍍鋁膜鏡片進(jìn)行燒蝕光斑尺寸的定義和測(cè)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(jìn)行光斑尺寸的定義時(shí)，存在明顯的熱效應(yīng)， 導(dǎo)致實(shí)際的測(cè)量光斑略大于實(shí)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(cè)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(jìn)行光斑尺寸的測(cè)量， 但測(cè)量結(jié)果會(huì)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(cè)量方法： 利用鋁1050 這種材料進(jìn)行光斑尺寸的定義， 通過測(cè)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(chǔ)上，利用鍍鋁膜片進(jìn)行燒蝕光斑尺寸的定義，該方法具有燒蝕痕跡明顯、便于測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)。 利用該方法測(cè)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(shí)，增加速度變緩。

圖3 燒蝕光斑測(cè)量系統(tǒng)示意圖

圖4 光束質(zhì)量分析儀典型結(jié)果

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shì)。可以看出，沖量隨能量密度的變化趨勢(shì)分為兩個(gè)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(dá)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(shì)， 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(dá)到最大值72.58μN(yùn)·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(shì)，與其他典型空間碎片材料的變化趨勢(shì)類似[11]。 一般認(rèn)為沖量耦合系數(shù)的下降是由于等離子體屏蔽效應(yīng)引起的，當(dāng)能量密度大于6 J/cm2時(shí)，部分入射激光能量被等離子體羽流所吸收， 導(dǎo)致到達(dá)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(shì)。

3.2 燒蝕羽流對(duì)沖量耦合特性的影響

為了進(jìn)一步分析燒蝕羽流對(duì)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(shí)驗(yàn)中使用的最低能量密度。當(dāng)能量密度為φ1時(shí)，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(shì)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(dá)到最大值時(shí)，羽流透射率減小到0.3，此時(shí)多數(shù)入射激光能量無法到達(dá)靶面進(jìn)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(jìn)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(duì)應(yīng)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(jié)論

本文設(shè)計(jì)了脈沖激光燒蝕光斑尺寸測(cè)量分析方法，測(cè)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(cè)量方法，測(cè)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(dāng)能量密度達(dá)到6J/cm2后緩慢增加。在沖量結(jié)果的基礎(chǔ)上，研究了沖量耦合系數(shù)隨能量密度的變化趨勢(shì)，先是急劇增加，當(dāng)能量密度達(dá)到6J/cm2后， 由于等離子體屏蔽效應(yīng)而逐漸下降。 此外，分析了燒蝕羽流對(duì)沖量耦合特性的影響， 沖量耦合系數(shù)下降階段對(duì)應(yīng)著較低的羽流透射率， 即此時(shí)多數(shù)激光能量被羽流吸收。