一种脉冲激光烧蚀聚合物冲量产生装置及方法

摘要

本发明公开了一种脉冲激光烧蚀聚合物冲量产生装置及方法。脉冲激光烧蚀聚合物冲量产生装置，包括用于发生脉冲激光束的脉冲激光束发生装置、用于放置待烧蚀聚合物并接受烧蚀过程中所产生的冲量的冲量接收面板、用于导出烧蚀产物的筒状排气段以及覆盖在待烧蚀聚合物上部并用于在烧蚀过程中诱导等离子体产生的金属网状结构；冲量接收面板设于筒状排气段的底部，金属网状结构安装在筒状排气段和/或冲量接收面板上并覆盖于冲量接收面板上的待烧蚀聚合物上部，金属网状结构与待烧蚀聚合物之间留有间隙，脉冲激光束发生装置的脉冲激光束发生端朝向冲量接收面板布置，脉冲激光束发生装置所发射的脉冲激光束穿过金属网状结构并作用于冲量接收面板上的待烧蚀聚合物上。

说明书

技术领域

本发明涉及聚合物的脉冲激光烧蚀技术领域，特别地，涉及一种脉冲激光烧蚀聚合物冲 量产生装置。此外，本发明还涉及一种包括上述脉冲激光烧蚀聚合物冲量产生装置的脉冲激 光烧蚀聚合物冲量产生方法。

背景技术

多种工程应用场合中需要在真空环境中使脉冲激光辐照聚合物产生冲量。这种应用要求 该过程中产生更大冲量的同时，消耗聚合物质量尽量小，即冲量产生的质量利用效率(产生 冲量与烧蚀质量之比)最大化。

目前，提高质量利用效率的思路侧重于改良聚合物本身，即在聚合物中掺杂微米或纳米 尺度的金属粉末，以期利用金属对激光的强吸收能力降低聚合物的激光吸收深度。然而，迄 今为止的实验表明，单纯掺杂金属粉末改造聚合物本身的方法，使得聚合物细观结构很不均 匀，在脉冲激光辐照下产生大量机械性剥落的质量损失，质量利用效率反而降低。

发明内容

本发明提供了一种脉冲激光烧蚀聚合物冲量产生装置及方法，以解决现有脉冲激光烧蚀 聚合物提高质量利用效率的方法会使得聚合物细观结构很不均匀，在脉冲激光辐照下产生大 量机械性剥落的质量损失，质量利用效率反而降低的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种脉冲激光烧蚀聚合物冲量产生装置，包括用于发生脉冲激光束的脉冲激光束发生装 置、用于放置待烧蚀聚合物并接受烧蚀过程中所产生的冲量的冲量接收面板、用于导出烧蚀 产物的筒状排气段以及覆盖在待烧蚀聚合物上部并用于在烧蚀过程中诱导等离子体产生的金 属网状结构；冲量接收面板设于筒状排气段的底部，金属网状结构安装在筒状排气段和/或冲 量接收面板上并覆盖于冲量接收面板上的待烧蚀聚合物上部，金属网状结构与待烧蚀聚合物 之间留有间隙，脉冲激光束发生装置的脉冲激光束发生端朝向冲量接收面板布置，脉冲激光 束发生装置所发射的脉冲激光束穿过金属网状结构并作用于冲量接收面板上的待烧蚀聚合物 上。

进一步地，金属网状结构通过用于调节金属网状结构与待烧蚀聚合物之间间隙的高度调 节机构安装于筒状排气段的内壁面上或者冲量接收面板上。

进一步地，金属网状结构的网孔孔径大小可调；网孔孔径通过从金属网状结构的四周拉 伸或者金属回弹力回复的方式调节；或者网孔孔径通过叠合的网孔相互发生错位移动的方式 调节；或者网孔孔径通过更换不同网孔孔径大小的金属网状结构的方式调节。

进一步地，金属网状结构为平面网板或者曲面网板。

进一步地，冲量接收面板和筒状排气段采用整体一体化加工成型；或者冲量接收面板和 筒状排气段采用分别加工后装配成一体。

进一步地，脉冲激光束发生装置的的脉冲激光束发生端与待烧蚀聚合物之间的间隙可调； 或者脉冲激光束发生装置射出的脉冲激光束的焦点与待烧蚀聚合物之间的距离可调。

根据本发明的另一方面，还提供了一种脉冲激光烧蚀聚合物冲量产生方法，其包括上述 脉冲激光烧蚀聚合物冲量产生装置；针对脉冲激光束的激光脉冲波形，对脉冲激光烧蚀聚合 物冲量产生装置的工作过程进行数值仿真，用以获取金属网状结构的网孔孔径参数以及金属 网状结构与聚合物之间的间隙参数；依据获得的网孔孔径参数以及间隙参数设置金属网状结 构。脉冲激光束烧蚀金属网状结构生成高电子数密度产物，高电子数密度产物用于增强对入 射的脉冲激光束的吸收以及用于使金属网状结构所处位置形成高压，同时高电子数密度产物 阻滞聚合物烧蚀产物羽流场入口处的输入聚合物烧蚀产物的运动，使金属网状结构与聚合物 的烧蚀面之间形成低速高压区域；当停止输出脉冲激光束后，利用金属网状结构的所处位置 形成的高压以及金属网状结构与聚合物的烧蚀面之间形成的低速高压区域的高压减缓聚合物 的烧蚀面压强的衰弱速度，从而获得高效的冲量性能并提高聚合物烧蚀过程中的质量利用效 率。

进一步地，对脉冲激光烧蚀聚合物冲量产生装置的工作过程进行数值仿真包括以下步骤： 步骤一，设定聚合物内部的初始参数和聚合物烧蚀产生的聚合物烧蚀产物羽流场的初始参数； 步骤二，在每一时间步内，获取聚合物烧蚀参数以及获取聚合物烧蚀产物羽流场，实时获取 聚合物的烧蚀面处的光强、动压和静压；步骤三，重复步骤二，直至烧蚀面压强与环境压强 平衡时结束或达到预设停止时间时结束；步骤四，根据烧蚀面动压和静压进行时间积分，获 取产生的冲量值，并由此得到质量利用效率；步骤五，划分参数水平，通过正交试验设计的 方法进行数值实验，即可得到特定脉冲激光束条件下达到高质量利用效率的金属网状结构的 网孔孔径参数以及金属网状结构与聚合物之间的间隙参数。

进一步地，步骤二中，获取聚合物烧蚀参数，包括：在聚合物内部划分网格，采用热传 导和聚合物热解化学动力学方程，考虑热解产物组分和热力学性质的变化、及因此产生的跨 临界温度烧蚀，获取烧蚀质量损失和烧蚀产物初始参数；计算完毕后，向羽流场输出入口参 数，包括产物组分和状态参数，状态参数包括压力、密度和速度。

进一步地，步骤二中，获取聚合物烧蚀产物羽流场，包括：在获取聚合物烧蚀产物羽流 场的流动区域划分网格，采用多组分二维非定常流体力学控制方程进行数值仿真，其中考虑 激光在羽流场中的衰减及由此引起的烧蚀产物电离和等离子体发展，并根据因烧蚀产物羽流 场吸收衰减后实际到达金属网状结构处的激光光强，获取此处激发出的电子数密度，从而得 到金属网状结构干预下的羽流场演变。

本发明具有以下有益效果：

本发明脉冲激光烧蚀聚合物冲量产生装置，通过在冲量产生装置中加入金属网状结构， 覆盖受辐照聚合物的上部，利用金属表面易产生自由电子的性质诱导生成等离子体，而等离 子体的位置和强度对聚合物后续烧蚀和羽流发展过程产生影响，从而调节激光能量在聚合物 工质和烧蚀产物中沉积的时间与空间分布，减小聚合物烧蚀质量，达到控制冲量产生和提高 质量利用效率的目的。

同时，金属网状结构作为冲量发生装置结构的一部分，避免了现有技术掺杂金属粉末造 成的剥蚀问题，从而获得更高的冲量发生性能。

本发明脉冲激光烧蚀聚合物冲量产生装置，用于得到精确冲量。可应用于航空航天、工 业控制、激光加工等领域中各种需要精确瞬间推力的场合。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面 将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及 其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的脉冲激光烧蚀聚合物冲量产生装置的结构示意图；

图2是图1的剖视图；

图3是本发明优选实施例的脉冲激光烧蚀聚合物冲量产生装置中金属网状结构在特定激 光脉冲条件(I)下随时间(t)变化的工作过程的示意图；

图4是本发明优选实施例的金属网状结构调节下的激光烧蚀聚合物的典型流场的数值仿 真结果图；

图5是本发明优选实施例的金属网状结构的孔径与质量利用效率的关系图；

图6是本发明优选实施例的金属网状结构与烧蚀面间隙与质量利用效率变化的关系图。 图例说明：

1、脉冲激光束发生装置；2、冲量接收面板；3、筒状排气段；4、金属网状结构；5、待 烧蚀聚合物。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由所限定和覆盖的多种 不同方式实施。

图1是本发明优选实施例的脉冲激光烧蚀聚合物冲量产生装置的结构示意图；图2是图1 的剖视图；图3是本发明优选实施例的脉冲激光烧蚀聚合物冲量产生装置中金属网状结构在 特定激光脉冲条件(I)下随时间(t)变化的工作过程的示意图；图4是本发明优选实施例的 金属网状结构调节下的激光烧蚀聚合物的典型流场的数值仿真结果图；图5是本发明优选实 施例的金属网状结构的孔径与质量利用效率变化的关系图；图6是本发明优选实施例的金属 网状结构与烧蚀面间隙与质量利用效率变化的关系图。

如图1和图2所示，本实施例的脉冲激光烧蚀聚合物冲量产生装置，包括用于发生脉冲 激光束的脉冲激光束发生装置1、用于放置待烧蚀聚合物5并接受烧蚀过程中所产生的冲量的 冲量接收面板2、用于导出烧蚀产物的筒状排气段3以及覆盖在待烧蚀聚合物5上部并用于在 烧蚀过程中诱导等离子体产生的金属网状结构4；冲量接收面板2设于筒状排气段3的底部， 金属网状结构4安装在筒状排气段3和/或冲量接收面板2上并覆盖于冲量接收面板2上的待 烧蚀聚合物5上部，金属网状结构4与待烧蚀聚合物5之间留有间隙h，脉冲激光束发生装置 1的脉冲激光束发生端朝向冲量接收面板2布置，脉冲激光束发生装置1所发射的脉冲激光束 穿过金属网状结构4并作用于冲量接收面板2上的待烧蚀聚合物5上。脉冲激光束发生装置1 包脉冲激光器和光束整形器件。光束整形器件设于脉冲激光器的发射端。光束整形器件作用 于激光器发射的近似平行的激光束，产生聚焦、压缩等效果，以实现到达待烧蚀聚合物表面 处不同的光强。光束整形器件可以采用透镜组或者反射镜组实现。本发明脉冲激光烧蚀聚合 物冲量产生装置，通过在冲量产生装置中加入金属网状结构，覆盖受辐照聚合物的上部，利 用金属表面易产生自由电子的性质诱导生成等离子体，而等离子体的位置和强度对聚合物后 续烧蚀和羽流发展过程产生影响，从而调节激光能量在聚合物工质和烧蚀产物中沉积的时间 与空间分布，减小聚合物烧蚀质量，达到控制冲量产生和提高质量利用效率的目的。同时， 金属网状结构作为冲量发生装置结构的一部分，避免了现有技术掺杂金属粉末造成的剥蚀问 题，从而获得更高的冲量发生性能。本发明脉冲激光烧蚀聚合物冲量产生装置，用于得到精 确冲量。可应用于航空航天、工业控制、激光加工等领域中各种需要精确瞬间推力的场合。

如图1和图2所示，本实施例中，金属网状结构4通过用于调节金属网状结构4与待烧 蚀聚合物5之间间隙的高度调节机构安装于筒状排气段3的内壁面上或者冲量接收面板2上。

如图1和图2所示，本实施例中，金属网状结构4的网孔孔径d大小可调。网孔孔径d 通过从金属网状结构4的四周拉伸或者金属回弹力回复的方式调节。网孔孔径d通过叠合的 网孔相互发生错位移动的方式调节。网孔孔径d通过更换不同网孔孔径大小的金属网状结构4 的方式调节。

如图1和图2所示，本实施例中，金属网状结构4为平面网板或者曲面网板。

如图1和图2所示，本实施例中，冲量接收面板2和筒状排气段3采用整体一体化加工 成型。冲量接收面板2和筒状排气段3采用分别加工后装配成一体。

如图1和图2所示，本实施例中，脉冲激光束发生装置1的脉冲激光束发生端与待烧蚀 聚合物5之间的间隙h可调。脉冲激光束发生装置1射出的脉冲激光束的焦点与待烧蚀聚合 物5之间的距离可调。

如图1、图2、图3、图4、图5和图6所示，本实施例的脉冲激光烧蚀聚合物冲量产生 方法，采用上述脉冲激光烧蚀聚合物冲量产生装置；针对脉冲激光束的激光脉冲波形，对脉 冲激光烧蚀聚合物冲量产生装置的工作过程进行数值仿真，用以获取金属网状结构4的网孔 孔径参数以及金属网状结构4与聚合物之间的间隙参数；依据获得的网孔孔径参数以及间隙 参数设置金属网状结构4。脉冲激光束烧蚀金属网状结构4生成高电子数密度产物，高电子数 密度产物用于增强对入射的脉冲激光束的吸收以及用于使金属网状结构4所处位置形成高压， 同时高电子数密度产物阻滞聚合物烧蚀产物羽流场入口处的输入聚合物烧蚀产物的运动，使 金属网状结构4与聚合物的烧蚀面之间形成低速高压区域；当停止输出脉冲激光束后，利用 金属网状结构4的所处位置形成的高压以及金属网状结构4与聚合物的烧蚀面之间形成的低 速高压区域的高压减缓聚合物的烧蚀面压强的衰弱速度，从而获得高效的冲量性能并提高聚 合物烧蚀过程中的质量利用效率。

如图1、图2、图4、图5和图6所示，本实施例中，对脉冲激光烧蚀聚合物冲量产生装 置的工作过程进行数值仿真包括以下步骤：步骤一，设定聚合物内部的初始参数和聚合物烧 蚀产生的聚合物烧蚀产物羽流场的初始参数；步骤二，在每一时间步内，获取聚合物烧蚀参 数以及获取聚合物烧蚀产物羽流场，实时获取聚合物的烧蚀面处的光强、动压和静压；步骤 三，重复步骤二，直至烧蚀面压强与环境压强平衡时结束或达到预设停止时间时结束；步骤 四，根据烧蚀面动压和静压进行时间积分，获取产生的冲量值，并由此得到质量利用效率； 步骤五，划分参数水平，通过正交试验设计的方法进行数值实验，即可得到特定脉冲激光束 条件下达到高质量利用效率的金属网状结构4的网孔孔径参数以及金属网状结构4与聚合物 之间的间隙参数。

本实施例中，步骤二中，获取聚合物烧蚀参数，包括：在聚合物内部划分网格，采用热 传导和聚合物热解化学动力学方程，考虑热解产物组分和热力学性质的变化、及因此产生的 跨临界温度烧蚀，获取烧蚀质量损失和烧蚀产物初始参数；计算完毕后，向羽流场输出入口 参数，包括产物组分和状态参数，状态参数包括压力、密度和速度。

本实施例中，步骤二中，获取聚合物烧蚀产物羽流场，包括：在获取聚合物烧蚀产物羽 流场的流动区域划分网格，采用多组分二维非定常流体力学控制方程进行数值仿真，其中考 虑激光在羽流场中的衰减及由此引起的烧蚀产物电离和等离子体发展，并根据因烧蚀产物羽 流场吸收衰减后实际到达金属网状结构4处的激光光强，获取此处激发出的电子数密度，从 而得到金属网状结构4干预下的羽流场演变。

本实施例中，和聚合物相比，金属网状结构烧蚀产物的动量小一个数量级。可以认为金 属网状结构烧蚀产物与聚合物烧蚀产物相互作用时，金属网状结构烧蚀产物对聚合物产物的 动量无影响，金属网状结构烧蚀产物在聚合物烧蚀产物中扩散。脉冲激光烧蚀聚合物在金属 网状结构4参与下的工作过程如图3所示，包括以下阶段：如图3(a)所示，阶段一，激光 辐照开始；如图3(b)所示，阶段二，聚合物和金属网状结构4分别发生烧蚀并分别飞散聚 合物烧蚀产物和金属烧蚀产物，聚合物烧蚀产物与金属烧蚀产物之间无相互作用；如图3(c) 所示，阶段三，聚合物烧蚀产物到达金属网状结构4所处位置，并金属烧蚀产物相互混合， 并且由于聚合物烧蚀产物羽流动量远大于金属烧蚀产物羽流动量，聚合物烧蚀产物羽流裹挟 金属烧蚀产物羽流继续飞散；如图3(d)所示，阶段四，金属网状结构4被聚合物烧蚀产物 羽流包裹，金属烧蚀产生的高电子数密度产物分布于金属网状结构4表面并诱导附近的聚合 物烧蚀产物迅速升温、离解和电离，形成等离子体；如图3(e)所示，阶段五，金属网状结 构4周围的高温、高压等离子体向周围膨胀，并继续吸收入射激光能量，等离子体所形成的 等离子体区域迎着激光入射方向发展；由于等离子体的屏蔽作用，到达金属网状结构4表面 的激光能量减少，金属网状结构4的烧蚀速度放缓；如图3(f)所示，阶段六，激光脉冲熄 灭后，金属网状结构4周围的等离子体继续往四周膨胀，并与聚合物烧蚀面碰撞发生反射； 如图3(g)所示，阶段七，等离子体熄灭，聚合物烧蚀产物羽流继续向真空飞散；如图3(h) 所示，阶段八，脉冲激光烧蚀聚合物冲量产生装置恢复到初始状态。

本实施例中，阶段四和阶段五期间，金属网状结构4烧蚀产生的高电子数密度产物增大 了其附近聚合物烧蚀产物的电子数密度，使入射激光能量在聚合物产物中的沉积率明显增加， 致使聚合物产物迅速发生电离，形成等离子体。高温、高压等离子体一方面屏蔽入射激光， 影响金属网状结构和聚合物的后续烧蚀，另一方面改变烧蚀产物的速度分布，进而影响冲量 发生特性。

实施时，通过在冲量产生装置中加入金属网状结构，可以对激光能量在聚合物工质和工 质烧蚀产物中沉积的时间与空间分布进行调整，减小聚合物烧蚀质量，提高冲量产生装置的 质量利用效率。实验室内的原理装置验证了上述特性和优点。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员 来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等 同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。