激光辐照靶材引起的等离子体热阻塞效应

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随着激光武器的发展,其发射功率也在不断提高,预计在未来投入使用的激光武器功率可达到百兆瓦级。本文以激光武器的发展近况和战略演变为背景,研究波长在1.6μm附近的百兆瓦级激光对于C/C复合材料靶材的气化烧蚀效应,以及激光致等离子体吸收光束能量引起的热阻塞效应。本文依据热传导理论,采用数值方法计算了到达靶面激光对靶材的烧蚀作用,得到激光烧蚀靶材的温度场和未考虑蒸气压时的烧蚀速率。结果表明:百兆瓦级的高功率激光辐照靶面将使靶材在几纳秒内开始烧蚀,此时靶材内部临近表面部分的空间温度场梯度非常大。随着辐照时间的增加,烧蚀速率具有上升后趋于平稳的规律,这与激光功率和靶材空间温度值积累有关。当入射激光功率降低时,开始发生烧蚀的时间明显增加,激光功率小于5×105W/cm2时,采取自旋措施的弹体已经难以迅速达到烧蚀温度,因此该方法对于提高结构的抗激光性能很有效的。随后本文采用Mott-Smith近似方法,以及联立求解质量连续方程,研究了离开靶材表面粒子形成Knudsen层的两侧参数,以及蒸气压变化对烧蚀速率的影响。结果表明:靶材表面饱和蒸气温度高于标准气压下材料气化温度,随着激光功率的增大,靶表面蒸气压力变大,表面温度也随之增加;蒸气压对烧蚀速率的影响比较大,并表现出非线性的变化规律。最后,根据电离理论、自相似膨胀模型和逆韧致吸收理论,研究了靶表面蒸气流转化成等离子体后吸收激光能量产生的热阻塞效应。结果表明:电子密度主要取决于激光功率和持续时间,等离子体形成后,膨胀速度先迅速增加,而后逐渐减小,中性粒子的密度也随之经历了下降-平稳-下降的阶段。开始辐照不久后等离子体开始形成,对入射激光产生了明显的吸收作用,即热阻塞效应,它明显削弱了激光对靶材的烧蚀作用。在一定激光功率范围内,随着功率的增加,热阻塞效应变强,等效热流呈近似指数式增长。波长为1.印m的激光产生的热阻塞效应比波长1.06μm的激光要强。
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