微小粒子的纳秒脉冲激光推进机理与方法研究

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脉冲激光诱导产生的等离子体冲击波推进作为一种新颖的推进技术受到广泛的关注。聚焦后的激光诱导产生冲击波通过反冲作用驱动靶材前进,与传统推进技术相比,该推进技术具有非接触、高比冲、费用低等特点,但大多数推进研究多数集中在宏观领域。本论文就基于微结构的激光诱导等离子体冲击波在微观领域的推进进行研究,采用模型仿真、理论计算结合粒子动力学效应等手段,对推进机制、推进模式、推进效率等进行了深入全面的研究,并得到预期结果。基于微结构的激光诱导等离子体冲击波推进在粒子筛选、分离、基质表面杂质粒子清除等方面具有重要意义。本论文的主要研究内容如下:
  1.提出了一种可以减小激光能量损失并作为导向工具限制粒子运动的光纤-毛细石英管微结构(“微枪”结构),通过粒子在微结构中受到冲击波撞击后的动力学过程分析了粒子的推进效率和推进模式,在实验条件范围内,随着激光能量的上升,推进模式由单一的大气呼吸模式转变为大气呼吸模式和烧蚀模式共同作用,此外微结构的使用限制了冲击波的传播方向,增强了冲击波与微球粒子之间的作用力,有助于粒子推进效率的提高。
  2.提出了一种尖端尺寸可控的锥形光纤(9.6-125μm)结构,基于该结构通过调整激光能量以及粒子大小尺寸对推进机制进行分析,锥形光纤在弯曲程度范围内可任意弯折,通过显微操控调节锥形光纤方向,冲击波传播方向得到控制,实现了基质表面粒子的定向推进,在粒子筛选、分离和器件表面杂质粒子定向去除方面具有潜在的应用前景。
  3.主要是利用激光诱导等离子体冲击波模拟基质表面杂质粒子的清除,通过调节激光能量以及等离子体与杂质粒子之间的间隙距离d等参数,观察基质表面杂质粒子的清除效果,确定实现基质表面杂质粒子的无损清洗的最佳参数值,此外对位于等离子体不同位置的球形粒子的运动模式进行了分析。
  4.理论计算以及物理仿真模型建立,对基于微结构的激光诱导等离子体冲击波特性进行分析,分析内容包括冲击波的能量强度分布情况、冲击波的传播特性(传播速度、传播距离)以及冲击波压力特性等,在同一激光能量条件下,冲击波携带能量强度以及压力随传播距离单调降低;保持传播距离不变,冲击波携带能量强度以及压力随激光能量单调增加。
  综上所述,本论文中提出脉冲激光与微结构有效结合,实现了微米量级的粒子驱动。根据粒子的动力学过程结合模型仿真、理论计算可实现推进机制、推进模式、粒子推进效率、粒子运动模式的分析。此外,对于空间直接聚焦的激光,合理的调整激光能量、间隙距离d等参数,为实现基质表面杂质粒子的无损清除研究提供信息支撑。
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