激光介质含能材料序列的换能原理

4.5.2.1 基本现象与实验规律

1. 激光能量转换现象和特征

高能激光-介质-含能材料序列的能量转换原理包括两种类型，一种是采用光学透窗耦合含能材料装药，另一种是通过透窗和介质薄膜耦合含能材料装药。典型的介质主要是光学透窗（包括光导纤维）和镀金属膜或贴聚合物膜的复合介质，其激光通过介质进行能量转换的示意图如图4.91所示。

图4.91　激光通过介质进行能量转换的换能序列原理

（a）激光-透窗-装药；（b）激光-透窗-介质薄膜-装药

2. 激光-介质-含能材料装药能量转换的振荡燃烧现象

激光-介质-含能材料装药相互作用存在多次振荡燃烧现象。图4.92所示为B-KNO3在K9透窗约束下三次燃烧现象的高速图像，其中激光器为脉冲宽度为106 μs、波长为1.06 μm的Nd:YAG激光器，拍摄帧数为2 000 fps。

图4.92　在K9透窗约束下B-KNO3激光点火过程的高速图像

图4.93所示为有透窗约束下B-KNO3激光点火过程的光辐射变化特性。这一特性也反映了有透窗约束下的多次燃烧现象。

图4.93　B-KNO3装药在透窗约束下激光点火的光辐射信号

3. 镀膜透窗的金属膜激光解离现象

表4.49所示为镀有铜或铝金属膜的光学透窗的被激光解离的高速图像。激光解离透窗基片上的金属膜，形成等离子体和高温金属粒子流。

表4.49　Al膜、Cu膜透窗的激光烧蚀高速图像

注：在左侧形成对称的镜像是透窗表面的成像原理所致。

表4.50所示为激光烧蚀金属膜形成烧蚀流场的M-Z干涉高速图像。激光解离透窗上的金属膜将形成激光等离子体，随后冷凝成较高温度的凝聚态金属离子流。

表4.50　镀膜透窗在激光烧蚀下烧蚀流场的M-Z干涉图

4. 激光烧蚀金属膜的等离子体特性

激光有两种入射方式与透窗上的金属膜相互作用：直接辐射到金属膜表面，由于烧蚀产物未被约束，称为未约束状态；激光入射到未镀膜的透窗面，穿过透窗介质辐射到金属膜上，由于烧蚀产物约束在膜和透窗基片之间，称为约束状态。

1）约束状态下的激光等离子体特性

图4.94所示为约束状态下，铜原子和铜离子的谱线强度随时间的变化规律。

图4.94　约束状态下铜原子和离子发光谱线强度随时间的变化规律

图4.95所示为约束状态下激光烧蚀的铜原子和离子谱线强度随入射激光能量密度的变化规律。

图4.95　约束状态下铜原子和离子的谱线强度随激光辐射能量的变化规律

约束状态下，激光等离子体谱线强度随时间指数衰减，激光谱线强度随着激光辐射强度的提高而增强，其中276.44 nm的紫外谱线最强，激光能量密度对276.44 nm谱线影响显著。激光烧蚀形成了强的等离子体。

2）未约束状态下的激光等离子体特性

图4.96所示为未约束状态下，铜原子和铜离子的谱线强度随时间的变化规律。

谱线强度随时间指数衰减，但是与约束状态下的谱线分布不同的是各紫外谱线的强度均相近。图4.97所示为约束状态下激光烧蚀的铜原子和铜离子谱线强度。激光强度对未约束等离子体的强度影响不大。

图4.96　未约束状态下铜原子和离子发光谱线强度随时间的变化规律

图4.97　未约束状态下铜原子和离子谱线强度随激光辐射能量密度的变化规律

实验研究表明，激光从未镀膜的透窗一侧入射到金属膜上能够形成比直接作用到金属膜上更强的等离子体。

5. 激光烧蚀金属膜的等离子体温度和电子密度

图4.98所示为激光烧蚀镀铜膜透窗的电子温度和电子密度随时间的变化规律。图4.99所示为在不同辐射能量密度下激光烧蚀镀铜膜透窗的电子温度和电子密度的变化规律。

图4.98　Cu激光等离子体的电子温度和电子密度随时间的变化规律

从电子温度和电子密度的特性得知，约束状态下的铜等离子体电子温度和电子密度均高于未约束状态，其中在相同作用条件下约束状态的电子温度可以达到6 300 K，而非约束状态下的电子温度只能达到4 800 K。随着作用的激光能量密度增强，约束状态下铜等离子体的电子温度和密度也增强，但是未约束状态下的铜等离子体电子温度和电子密度变化不显著。

图4.99　Cu激光等离子体的电子温度和电子密度随激光能量密度的变化规律

6. 激光烧蚀流场的温度分布规律

图4.100和图4.101所示分别为约束状态下自由振荡激光烧蚀铜膜和铝膜形成的烧蚀流场在0.4 ms时的温度分布。根据干涉条纹计算得到自由振荡激光作用时，0.4 ms时铜膜烧蚀流场的温度最高达897 K，铝膜烧蚀流场的温度最高达1 512 K。烧蚀物质主要是金属固体粒子或金属液滴。

图4.100　铜膜烧蚀流场的温度分布图（0.4 ms）

图4.101　 铝膜烧蚀流场的温度分布图（0.4 ms）

4.5.2.2 激光能量转换的特性和规律

激光通过介质进行能量传递和转换表现在介质对激光能量的吸收或透射，介质约束下药剂的激光点火或起爆特性。研究所采用的激光器包括808 nm波长的半导体激光器和Nd:YAG固体激光器两种类型。

1. 不同激光强度下镀铜膜透窗的透过率规律

图4.102和图4.103所示分别是在532 nm Nd:YAG激光作用下K9镀铜膜透窗的激光透过率。

图4.102　激光直接烧蚀Cu膜能量透射率

图4.103　 激光间接烧蚀Cu膜能量透射率

2. K9玻璃透窗的激光透过率

表4.51是2.0 mm厚的K9玻璃透窗的1.06 μm激光透过率，其中自由振荡模式和调Q模式的脉冲宽度分别为106 μs和43 ns。

表4.51　K9玻璃透窗的1.06 μm激光透射率

注：Y为透射激光的能量/mJ，X为入射激光的能量/mJ。

3. 蓝宝石透窗的激光透过率

表4.52所示为2 mm厚的蓝宝石透窗的1.06 μm激光透过率，其中自由振荡模式和调Q模式的脉冲宽度分别为106 μs和43 ns。

表4.52　蓝宝石透窗的1.06 μm激光透过率

注：Y为透射激光的能量/mJ，X为入射激光的能量/mJ。

4. 镀膜K9透窗的激光透过率

表4.53所示为2.0 mm厚的K9镀膜透窗的1.06 μm自由振荡激光的透过率，其中激光脉冲宽度为106 μs。

表4.53　镀膜透窗的1.06 μm激光透过率

注：Y为透射激光的能量/mJ，X为入射激光的能量/mJ。

5. 不同介质透窗的激光透过率

表4.54所示为不同透窗材料对808 nm波长激光的透射率。根据光窗透射率测量，换能元选用不同光窗材料的光能透射率排序为：有机玻璃＞云母片＞蓝宝石＞米拉膜＞赛璐珞。

表4.54　不同光窗材料的透射率测量值

6. K9透窗约束下B-KNO3的激光点火规律

表4.55所示为2.5 mm厚的K9透窗约束和1.06 μm激光下B-KNO3的激光点火感度。透窗存在将降低含能材料的点火感度，调Q模式的激光点火感度低于同等条件下自由振荡模式的激光点火感度。

表4.55　B-KNO3（40-60，wt%）的激光点火感度

注：激光能量为输入透窗的能量，表中数据的获得是依据升降法感度试验。(www.xing528.com)

图4.104～图4.109所示为K9和K9镀膜透窗约束下B-KNO3（40-60，wt%）的激光点火延迟时间。透窗约束下的点火延迟时间小于无透窗约束的点火延迟时间近10倍。

图4.104　玻璃透窗约束的B-KNO3自由振荡激光的点火延迟时间

图4.105　玻璃透窗约束的B-KNO3调Q激光的点火延迟时间

图4.106　镀铜透窗约束的B-KNO3的自由振荡激光点火延迟时间

图4.107　镀铜透窗约束的B-KNO3的调Q激光点火延迟时间

图4.108　镀铝透窗约束的B-KNO3的自由振荡激光点火延迟时间

图4.109　镀铝透窗约束的B-KNO3的调Q激光点火延迟时间

实验研究也表明，激光照射下镀铝膜比镀铜膜的点火延滞期短，点火感度高，这与铝烧蚀后产物的高温特性有关。

7. 聚酯薄膜约束下B-KNO3的激光点火规律

表4.56所示为聚酯聚合物膜约束下B-KNO3的激光点火感度，其中B-KNO3（40-60，wt%）和B-KNO3-酚醛树脂（40-60-0.5，wt%），透窗为0.2 mm厚度的复印聚酯膜，激光器为1.06 μm波长的自由振荡激光器。

表4.56　聚酯膜约束的B-KNO3激光点火感度

*：已经扣除聚酯膜对光的吸收，表中数据的获得是依据升降法感度试验。

图4.110所示为B-KNO3的激光点火延迟时间。聚酯片将导致激光点火感度下降，激光点火延迟时间与无聚酯片的时间相当。

8. 介质膜约束下B-KNO3的激光点火感度数据

光纤-介质膜-药剂换能元中，采用808 nm半导体激光器，由不同材料介质膜和B-KNO3组成换能元的激光感度排序为：碳膜＞米拉膜＞赛璐珞片＞云母片＞蓝宝石，见表4.57。

图4.110　聚合物介质膜约束的B-KNO3激光点火延迟时间

表4.57　不同光窗材料组成换能元的B-KNO3的激光点火感度

注：换能效率提高 = （无介质膜感度-介质膜感度）/无介质膜感度 × 100%。

换能效率分析得出：不同介质膜的光能透射率排序为：有机玻璃＞云母片＞蓝宝石＞米拉膜＞赛璐珞片；不同介质膜的激光感度排序为：碳膜＞米拉膜＞赛璐珞片＞云母片＞蓝宝石。激光感度试验表明，换能效率不一定与介质膜的透射率排序一致，这说明换能效率除了与介质膜的透射率有关外，还与介质膜的热导率、反射率、光吸收率、光束发散性有关。

9. 透窗约束下炸药的激光起爆规律

表4.58所示为K9透窗约束下，HMX、RDX和PETN的激光起爆感度，其中透窗厚度为2 mm和采用1.06 μm波长的Nd:YAG激光，数据的获得是依据升降法感度试验。

表4.58　K9玻璃透窗约束下炸药的激光起爆感度

注：标注“—”的炸药未起爆；表中数据：激光能量（mJ）/激光能量密度（mJ·mm-2）。

表4.59所示为蓝宝石透窗约束HMX、RDX和PETN的激光起爆感度，其中透窗厚度为2 mm和采用1.06 μm波长的Nd:YAG激光，数据的获得是依据升降法感度试验。

表4.59　蓝宝石玻璃透窗约束下炸药的激光起爆感度

续表

注：标注“—”的炸药未起爆；表中数据：激光能量（mJ）/激光能量密度（mJ/mm2）。

在密闭状态下，添加有炭黑作为掺杂物的药剂均比纯药剂起爆能量低，说明在药剂中添加炭黑能提高激光起爆感度。但是添加炭黑量对不同炸药的激光起爆感度的影响也不同。总的趋势是激光感度随炭黑掺杂量的增加而提高。

图4.111所示为在透窗约束下HMX、RDX和PETN的激光起爆延迟时间，其中激光器采用1.06 μm波长自由振荡Nd:YAG激光。

图4.111　炸药的激光起爆延迟时间拟合曲线分布图

在不同密闭介质、不同激光脉宽、不同炭黑掺杂量下炸药的激光起爆特性及规律，研究表明：

（1）密闭透窗能够提高激光起爆感度，其中蓝宝石玻璃为密闭透窗时，激光起爆感度能较大幅度提高。

（2）不同脉宽激光作用下激光起爆感度不同，其中调Q激光作用下的起爆能量较低，试样易起爆。

（3）在药剂中添加炭黑能提高激光起爆感度，炭黑掺杂量对激光起爆感度有影响；RDX和PETN均在掺杂1%炭黑时，以蓝宝石玻璃为密闭透窗，调Q激光作用时起爆能量最低。

（4）炸药激光点火的延滞期较短，在微秒量级；在以蓝宝石玻璃为密闭透窗，炭黑掺杂量为2%的情况下激光点火延滞期最短。

4.5.2.3 物理模型与数学方程

1. 激光-无镀膜透窗-装药能量转换的模型和方程

为了简化数学模型，需作如下假设：① 药剂均匀且各向同性；② 考虑药剂表面的热对流，无激光照射的表面为绝热边界；③ 在整个过程中，热物理参数及化学动力学参数均不随时间变化；④ 不考虑药剂的相变；⑤ 忽略药剂的径向热损失，只考虑轴向热损失；⑥ 点火过程中发生的化学反应为零级反应；⑦ 透窗与装药的能量输运是热传导过程。

1）区域Ⅰ：光学透窗

所采用的光学透窗对于波长1 064 nm的光是透明的，在此区域中不考虑激光能量的吸收，唯一的能量损失是玻璃每一面对光的反射。此区域中能量守恒方程为

式中，Iρ为透窗的密度（kg/m3）；CI是玻璃的比热容（J·kg-1·K-1）；Iλ为玻璃的热传导系数（W·m-1·K-1）。

2）区域Ⅱ药剂

能量守恒方程：

式中，IIρ为药剂的密度（kg/m3）；CII为药剂的比热容（J·kg-1·K-1）；IIλ为药剂的热传导系数（W·m-1·K-1）；ref为药剂的激光反射率；β为药剂对激光吸收系数（m-1）；I为激光强度（W/m2）；Q为药剂化学反应热/（J/kg）；A为频率因子（s-1）；E为药剂的活化能（J/mol）。

式（4-73）右边第一项表示热传导，第二项表示激光能量在药剂内部的空间分布，第三项表示化学反应释放的热量。

2. 激光-镀膜透窗能量转换的模型和方程

物理模型：① 被加热的材料是均匀且各向同性的物质；② 材料的光学特性和热力学参数与温度无关；③ 忽略热传导过程中的辐射和对流，只考虑材料表面向内的热传导；④ 作用于靶材表面的激光功率密度在时间上恒定不变，在空间上分布均匀；⑥ 忽略径向热损失，只考虑轴向热损失。

数学方程：

设sP为作用于靶材表面的激光功率密度，Aα为靶材表面对激光的吸收率，则边界条件可写为

tn 是激光使材料zmax深度处达到熔融状态所需的时间，有

式中，zmax为熔融深度；c为比热容；nT为熔化温度；0T为环境温度。

边界条件为

靶面蒸发速度为

式中，Lv、Lt以及c(Tc-Tn )分别指汽化潜热、熔化潜热以及温度从熔点上升到沸点时表面所吸收的热量；Tc为稳定表面温度，即汽化温度；a为调整系数；Ps=αAPs0。因而汽化深度为

式中，t为激光脉宽。

采用Crank-Nicolson差分格式求解。

介质相差分方程为

药剂相差分方程为

式中，，其截断误差是O[(Δt)2+(Δx)2]。

差分格式的稳定条件为