激光辐照碳纤维的冲量耦合特性研究

于程浩， 常 浩， 周伟静， 陈一夫

（航天工程大学， 激光推进及应用国家重点实验室， 北京 101400）

0 引言

随着人们空间活动的日益增加， 失效卫星和火箭末级的残骸、以及其碰撞产生的碎片，充满了近地轨道以外的空间，严重影响了人们的空间探索活动[1]。 因此，近年来，空间碎片的清除已成为目前航天领域研究的热点。其中，激光清除碎片由于其无污染、效率高等优点，受到了越来越广泛地关注[2-4]。 而目前国内外主要研究脉冲激光烧蚀铝等金属材料的冲量耦合性能[5-8]，对于碳纤维等复合材料的冲量性能研究较少。

本文基于扭摆微冲量测量原理， 测量了脉冲激光烧蚀碳纤维材料的冲量， 并在此基础上研究了碳纤维的冲量耦合特性。 为了更加精确地测量光斑尺寸，设计了脉冲激光烧蚀光斑尺寸测量分析方法。 此外，为了分析烧蚀羽流对冲量耦合特性的影响， 计算了不同能量密度下的羽流透射率。

1 实验设计

微冲量测量系统如图1 所示， 扭摆微冲量测量装置放置于真空仓内，实验过程中保持仓内压力为10-3Pa。 实验中使用的靶材为碳纤维T300， 当脉冲激光经过聚焦镜作用于扭摆上的靶材后， 扭摆由于受到反冲冲量的作用而摆动，扭摆的回复力由枢轴提供。 扭摆的角位移变化通过位移传感器获得，根据扭摆微冲量测量原理[9]可计算冲量大小。

图1 实验系统示意图

烧蚀光源为镭宝光电 （Beamtech） 公司生产的Nimma-900 型Nd：YAG 激光器，其输出波长为1064nm。 通过光电探测器获得的激光脉宽如图2 所示， 激光器输出激光的脉宽为8ns。 实验中，激光器的输出能量通过驱动电压来控制，为了保证对激光能量的准确测量，利用分束镜将一部分激光折转到Coherent 公司FieldMax 型能量计探头上，对激光能量进行实时监测，记录下每个脉冲激光的能量。每次脉冲激光烧蚀结束后，利用扭摆下方的二维电动平移台改变靶片和及激光辐照区的相对位置， 使每次脉冲激光能够作用于新的靶面位置。

图2 脉宽测量结果示意图

2 聚焦光斑尺寸测量

图1 所示的实验系统中， 聚焦镜和靶片之间的距离是固定的，随着激光能量的增加，烧蚀光斑尺寸是逐渐增加的。因此，我们需要对实验中用到的每个激光能量所对应的烧蚀光斑进行测量，测量系统如图3 所示。该测量系统主要分为三部分，能量检测部分、光束质量分析部分、烧蚀光斑测量部分。 能量检测部分主要为由能量计及其探头组成，保证对输出激光能量的准确测量；光束质量分析部分主要由激光能量衰减器、及光束质量分析仪组成，用于对每个脉冲激光的光束质量进行监测， 典型的测量结果如图4 所示，可以看出，该激光器输出的脉冲激光束为较好的高斯光束； 烧蚀光斑测量部分主要基于镀铝膜镜片进行烧蚀光斑尺寸的定义和测量。2017 年Tsuruta 等人[10]探索了脉冲激光聚焦光斑尺寸的定义方法，他们通过调研发现，利用热敏纸进行光斑尺寸的定义时，存在明显的热效应， 导致实际的测量光斑略大于实际的光斑尺寸，并且由于材料烧蚀阈值的不同，相同条件下测量得到的光斑尺寸有所差异； 另一种常用的方法是利用光束质量分析仪进行光斑尺寸的测量， 但测量结果会由于衰减器衰减比例的不同而存在差异；最终，他们定义了光斑尺寸测量方法： 利用铝1050 这种材料进行光斑尺寸的定义， 通过测量铝1050 表面的烧蚀痕迹获得烧蚀光斑尺寸。本文在Tsuruta 等人[10]的研究基础上，利用镀铝膜片进行烧蚀光斑尺寸的定义，该方法具有烧蚀痕迹明显、便于测量等优点。 利用该方法测量获得的不同能量下的光斑尺寸如图5 所示，可以看出，光斑尺寸随着激光能量的增加而增大，并且在激光能量较高时，增加速度变缓。

图3 烧蚀光斑测量系统示意图

图4 光束质量分析仪典型结果

3 实验结果分析

图5 不同激光能量下的烧蚀光斑尺寸

3.1 冲量耦合特性

图6 为不同能量密度激光辐照下的烧蚀冲量变化趋势。可以看出，冲量随能量密度的变化趋势分为两个阶段， 在6J/cm2之前，烧蚀冲量随着能量密度的增加迅速升高， 而在达到6J/cm2之后，烧蚀冲量随着能量密度的增加而缓慢升高。

图6 不同能量密度下的烧蚀冲量

图7 不同能量密度下的冲量耦合系数

图7 为冲量耦合系数随能量密度的变化趋势， 可以发现，冲量耦合耦合系数随着能量密度的增加先急剧增加到最大值， 随后逐渐减小，并且在6J/cm2处达到最大值72.58μN·s/J。脉冲激光烧蚀碳纤维获得的冲量耦合系数随能量密度的变化趋势，与其他典型空间碎片材料的变化趋势类似[11]。 一般认为冲量耦合系数的下降是由于等离子体屏蔽效应引起的，当能量密度大于6 J/cm2时，部分入射激光能量被等离子体羽流所吸收， 导致到达靶面参加烧蚀的激光能量有所降低， 因此冲量耦合系数随能量密度的增加出现了下降的趋势。

3.2 烧蚀羽流对冲量耦合特性的影响

为了进一步分析烧蚀羽流对冲量耦合特性的影响，我们研究了不同能量密度下的烧蚀羽流透过率。 羽流透过率方程如下[12]：

式中：φi—能量密度；τi—烧蚀羽流的透射率。φ0和φ1分别表示烧蚀碳纤维产生靶蒸汽的能量密度阈值、 实验中使用的最低能量密度。当能量密度为φ1时，获得的冲量耦合系数为Cm1。 羽流透射率随能量密度的变化趋势如图8 所示，随着能量密度的增加，羽流透射率先是急剧下降，在冲量耦合系数达到最大值时，羽流透射率减小到0.3，此时多数入射激光能量无法到达靶面进行耦合， 而是被等离子体羽流所吸收，这也解释了冲量耦合系数下降的原因。随着能量密度的进一步增加，羽流透射率减小变缓。 可以看出，冲量耦合系数下降阶段对应着较低的羽流透射率。

图8 不同能量密度下的羽流透射率及冲量耦合系数

4 结论

本文设计了脉冲激光烧蚀光斑尺寸测量分析方法，测量获得了不同激光能量下的烧蚀光斑尺寸。 基于扭摆微冲量测量方法，测量了不同能量密度下的冲量，随着能量密度的增加，冲量先是迅速增加，当能量密度达到6J/cm2后缓慢增加。在冲量结果的基础上，研究了冲量耦合系数随能量密度的变化趋势，先是急剧增加，当能量密度达到6J/cm2后， 由于等离子体屏蔽效应而逐渐下降。 此外，分析了烧蚀羽流对冲量耦合特性的影响， 冲量耦合系数下降阶段对应着较低的羽流透射率， 即此时多数激光能量被羽流吸收。