激光引致水诱导空气击穿所获无约束流场演化过程的实验研究

(论文部分内容摘抄)

激光与物质相互作用的机理研究很早就受到广大学者的关注，由于研究目的不同，关注点也不同。水作为一种特殊的物质,在揭示激光与液体相互作用机理及其应用的研究中成为热点之一。学者们在研究激光与水相互作用时侧重点各不相同，如激光击穿水时的能量沉积现象、动力学现象(气蚀空穴等)、力学效应和流场演化等。

近几十年发展起来的先进航天推进技术激光推进,也因水的廉价、安全、清洁、容易获得等特点而对其青睐有加，美国、日本和中国都有文献报道水工质激光推进方面的研究进展。这些研究大多只关注两个推进性能参数,即冲量耦合系数和比冲，对于水工质激光推进机理方面的研究较少。研究结果表明，水作为工质时，所获冲量耦合系数比空气作为工质时高一个数量级，可达几千N/MW，而大量溅射水使得其比冲只有10s的量级。这些参数使得水工质激光推进利弊各半，即拥有高冲量耦合系数的同时，所获比冲太低。为优化水工质激光推进性能，必须深入揭示其机理,而对流场演化过程的研究是探寻水工质激光推进机理的重要内容之一。

利用（德国 Excelitas PCO 公司HSFC-PRO 四通道像增强器相机）高速相机和纹影系统，拍摄到了CO激光与自来水相互作用时,水诱导空气击穿后所形成流场的演化照片，并对波系结构、激波速度和波阵面压强进行分析,获得了一些对水工质激光推进研究有益的认识。

实验装置：

实验装置主要包括激光加载系统、纹影系统、2个脉冲发生器、2个光电二极管、德国 Excelitas PCO 公司pco.dcam 像增强器相机、闪光源和一个焦距为300mm砷化镓透镜等，目前实验室pco.dcam型号数字式超高速相机短曝光时间为3ns，拍摄间隔短为1ns，可以连续拍摄4幅照片。为完整研究等离子体点火和激波演化的全过程,需要有效拼接多组照片，以形成流场演化的系列照片，这就对时序控制和点火特性的重复性提出了严格的要求。

实验结果：

在实验中出现了两种现象：

1、击穿位置发出明亮的光，实验结束时,溅射到透镜上的水滴细小目分布均匀；

2、击穿位置发出的光比较暗，溅射到透镜上的水滴较大，且分布非常不均匀。

可以判断，与前者相比,后者溅射出的水量较大。根据后续的研究结果,造成两种现象的原因是：前者为水诱导的空气击穿，击穿点在水面上方，溅射的水是空气中爆轰波与水相互作用所致，此时水中的激波强度较弱；后者为水烧蚀,烧蚀发生在从水面到水面下几微米处(依赖于液体对激光的吸收深度)，烧蚀产生的气蚀空穴破裂时使得大量水从自由面溅射出去。

图为实验获得的一组较完整的纹影照片20.0~29.0us之间的4幅照片与前面的流场相比，有一定的不连贯性.

这是由于实验过程中，激光能量有一定的波动，这也是实验数据处理时，产生误差的一个因素。

德国 Excelitas PCO 公司的HSFC-PRO像增强相机，具备高分辨率、高感光度、快速帧重复率、精确捕捉超快速过程的优点，将可实现高效的单光子检测，为实验提供强而有力的图像数据支持。

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