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1、-范文最新推荐-1 / 8双脉冲激光支持的爆轰波在空气中的产生和传播摘要本文研究了双脉冲激光支持的爆轰波在空气中的产生和传播。简述了爆轰波的产生机理和传播机制，搭建了双脉冲激光支持爆轰波产生在空气中的实验系统，通过干涉法对实验所得结果图像进行采集，利用傅里叶变换，相位解缠等方法对图像进行处理，通过对实验结果的观察分析得出结论。讨论了图像处理的优化方法，为双脉冲激光支持爆轰波的学习研究提供了实验依据。9557关键词双脉冲；爆轰波；相位解缠；干涉法；毕业设计说明书（论文）外文摘要TitleThe generation and propagation of the doublePulse laser
2、-supported detonation wave in the airAbstractThe generation and dissemination of the double pulse laser-supported detonation wave in the air are studied in this dissertation in a systematic way. The laser supported detonation wave generation mechanism and propagation mechanisms are also studied. The
3、 experimental system of the double pulse laser supported detonation wave generated in the air is also built. The experimental images are collected with the interference method, then processed by Fourier transform and phase unwrapping.The conclusion is obtained through the observation of experimental
4、 results.The optimization of image processing methods is also discussed. The experimental results will provide experimental materials for the double pulse laser detonation wave learning.Keywordsdouble pulse; detonation wave; phase unwrapping; interferometry-范文最新推荐-3 / 8目次1 引言 … 1 20 世纪六七十年代，人
5、们对长脉冲激光作用靶表面产生激光支持爆轰波进行了大量的研究，由于高速摄像机分辨率较低，不能记录到激光脉冲作用时间内激光支持爆轰波的图像。近几十年，随着更高速相机的出现，可以记录到几时纳秒间隔的图像，但大多数研究主要针对短脉冲下激光与物质相互作用过程。对激光支持爆轰波形成和传播规律研究的较少，并缺乏激光作用期间内，空气中激光支持爆轰波传播的实验数据。激光支持爆轰波产生时间在 1 微秒之内，其流场演化过程也不过持续几百微秒，作用过程时间很短，而爆轰波又具有较高压力和温度，因此给实验观测带来了困难。通常采用光学方法观察激光支持爆轰波，主要方法包括：高速摄影法观测激光支持爆轰波形态和流场；光谱法测量爆
6、轰波温度等。1966 年， Yong、Hercher 和 Chung6用相机拍摄到激光击穿空气的等离子体发光，对等离子体结构和发射出的光谱进行了分析，发现等离子体发出的紫外光非常强，能被用作光源，其光谱强度超过启动激光的闪光灯源。1968 年，Alcock、Demichelis 和 Hamal7以激光作为纹影光源，首次测量到激光支持爆轰波结构，实验结果表明激光支持爆轰波轴向传播速度高于径向膨胀速度，但随着时间增加，轴向传播速度和径向速度趋于一致。20 世纪 70 年代，随着高功率、长脉冲 CO2 激光器的出现，人们对长脉冲激光在固体靶材表面产生的等离子体爆轰波进行了大量的研究，主要运用高速摄影
7、法观察爆轰波流场演化图。1972 年，Pirri、Schilier和 Northam8采用高速摄影法研究了长脉冲激光作用于碳和钨靶表面产生的激光支持爆轰波。他们发现激-范文最新推荐-5 / 8光支持爆轰波在几十纳秒内形成，等离子体前沿吸收大部分激光能量，且以超声速背离固体表面向激光光源方向运动，在爆轰波后面留下柱形的等离子体云团。1975 年， Mather 和 Hall9用马赫-曾德尔干涉仪记录了激光支持爆轰波结构和波阵面形状。他们通过对实验结果的分析发现激光支持爆轰波的特性与环境气体的种类和压力有很大关系。 Forsman、Banks 和 Perry18等利用双脉冲激光提高了材料消融的速度
8、，扩大了孔的大小，提高了高宽比并提出了一个简单的模型解释双脉冲激光产生的数据。2007 年， Hartmann、Gillner 和 Aydin19等人将双脉冲激光作用在 304 号不锈钢和 C75 号不锈钢表面研究其消融率，他们发现双脉冲激光相对于单脉冲激光，提高了烧蚀的体积，他们认为烧蚀率的增加是由于激光脉冲和靶材表面的相互作用，而不是和脉冲产生的等离子体；熔融孔附近由于第一束激光脉冲而降低的粒子密度使得蒸汽溢出加快，并且材料表面的预加热加速了熔融物脱落，这两个原因使得烧蚀率进一步增加。2009 年，Wang、Michalowski 和 Walter20等用纳秒双脉冲激光对不同厚度的不锈钢进
9、行打孔，发现：1）双脉冲与单脉冲相似，都存在激光能量密度饱和；2）单脉冲激光打孔速度在很大程度上与样品厚度有关，而双脉冲对于 0.4 到 1mm 厚度的样品，打孔速度保持不变；3）激光重复率的变化对于双脉冲激光的烧蚀率没有明显的效果。此外，空气中双脉冲激光打孔的速度与真空中的单脉冲打孔速度有过之而无不及，实验结果表明，双脉冲激光打孔与传统的单脉冲激光打孔相比效率有着显著提高。1.2 激光支持爆轰波的产生和传播机制12 1 激光支持爆轰波的产生大功率激光束在空气中聚焦, 当聚焦点的功率密度达到 1×1013 W/m221 以上时, 空气被击穿变成高温等离子体, 等离子体进一步吸收激光
10、能量后, 沿激-范文最新推荐-7 / 8光入射方向形成爆轰波, 这种爆轰波被称为激光支持爆轰波（Laser SupportedDetonation Wave ） 。强激光在空气中经透镜聚焦后，当光束的能量密度超过空气击穿阈值时，在激光束的强电场作用下，气体将发生电离、强烈吸收激光，同时压力急剧升高、体积膨胀，发生小范围的爆炸，这种现象称为光学击穿，一般认为光学击穿最先在焦点处发生。环境气体中自然存在的自由电子非常少，电离势很高，单个光子很难使气体电离。通常认为气体通过多光子吸收机制初始产生少量自由电子22，电子在激光束的高电场作用下加速运动，与气体原子碰撞使其发生电离，随着自由电子数量增加，连
11、续不断的碰撞发展成为电子雪崩。当电子雪崩产生的自由电子超过由于激发、吸收和扩散因素造成的损失时，气体发生光学击穿，形成等离子体吸收区。激光能量在一定厚度的等离子体吸收区内被电子吸收并转化为内能，使温度升高。等离子体迅速想周围空气膨胀，压缩周围空气，形成激光支持爆轰波。 吸收激光能量，成为新的等离子体吸收层；而远离激光光源方向的气体层吸收激光能量少，向外扩展的速度慢。在这种机制下，吸收激光能量和释放能量的等离子体吸收层紧跟在前导冲击波后面，随冲击波一起向前运动，这与炸药爆轰波传播24有相似之处，只是它们能量的沉积方式不同25-26。对于易燃材料的爆轰过程，能量可以持续地通过化学反应获得。冲击波增加了介质的温度、压强和熵，并立即引起了冲击波后的一薄层热化学反应。在激光诱导的冲击波传播过程中，与化学反应无关，冲击波加热并且微弱地电离其经过的冷空气，空气层变厚并且对入射激光变得不透明，入射激光的能量迅速地沉积在冲击波波前的后面。因此，在激光支持爆轰波的过程中，激光能量的获得依赖于冲击波的速度、激光能量和聚焦光束的形状。 双脉冲激光支持的爆轰波在空气中的产生和传播(4):
