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RSS2022年 34卷 第1期
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2022, 34: 011001.
doi: 10.11884/HPLPB202234.210357
2022, 34: 011005.
doi: 10.11884/HPLPB202234.210336
2022, 34: 011006.
doi: 10.11884/HPLPB202234.210334
2022, 34: 011001.
doi: 10.11884/HPLPB202234.210357
摘要:
激光驱动动态压缩实验是极端高压高密度研究的主要途径，在多个学科领域具有重要意义，包括地球行星科学，材料科学以及惯性约束聚变，有助于认识极端条件下的材料特性并拓展其在各学科的应用。近年来激光驱动压缩技术在激光装置、激光等离子体、制靶和诊断技术的同步提升下取得了突破性的进展，与其他极端条件实验平台相比，其斜波压缩、复杂路径、衰减冲击等新型加载路径得到快速发展，微介观诊断技术和宏观诊断技术相结合，具有明确的超高压、高温、高应变率以及高同步精度等技术特色。从激光驱动材料压缩的热力学路径、激光驱动的机制与特色、激光驱动实验技术、材料极端压缩物理进展等方面介绍激光驱动实验和理论方面的进展。
激光驱动动态压缩实验是极端高压高密度研究的主要途径，在多个学科领域具有重要意义，包括地球行星科学，材料科学以及惯性约束聚变，有助于认识极端条件下的材料特性并拓展其在各学科的应用。近年来激光驱动压缩技术在激光装置、激光等离子体、制靶和诊断技术的同步提升下取得了突破性的进展，与其他极端条件实验平台相比，其斜波压缩、复杂路径、衰减冲击等新型加载路径得到快速发展，微介观诊断技术和宏观诊断技术相结合，具有明确的超高压、高温、高应变率以及高同步精度等技术特色。从激光驱动材料压缩的热力学路径、激光驱动的机制与特色、激光驱动实验技术、材料极端压缩物理进展等方面介绍激光驱动实验和理论方面的进展。
2022, 34: 011002.
doi: 10.11884/HPLPB202234.210275
摘要:
脉冲激光烧蚀推进技术具有比冲高和推力可精确控制的特点，既可用于发射有效载荷也可用于星载动力，甚至可用小行星表面物质作为推进剂使其偏转轨道，因此，在航天领域得到越来越多关注。围绕激光单级入轨发射、同步轨道和火星轨道运输；激光微推力器用于航天器姿轨控，以及激光与电组合推进；激光烧蚀操控cm级空间碎片的轨道，以及激光烧蚀操控较大尺寸碎片的姿态；激光烧蚀偏转小行星轨道等方面，对脉冲激光烧蚀推进技术在航天领域研究现状和进展，进行了系统全面地归纳和总结，并对激光平均功率、波长、脉宽和推进剂选材等关键问题，进行了详细分析。
脉冲激光烧蚀推进技术具有比冲高和推力可精确控制的特点，既可用于发射有效载荷也可用于星载动力，甚至可用小行星表面物质作为推进剂使其偏转轨道，因此，在航天领域得到越来越多关注。围绕激光单级入轨发射、同步轨道和火星轨道运输；激光微推力器用于航天器姿轨控，以及激光与电组合推进；激光烧蚀操控cm级空间碎片的轨道，以及激光烧蚀操控较大尺寸碎片的姿态；激光烧蚀偏转小行星轨道等方面，对脉冲激光烧蚀推进技术在航天领域研究现状和进展，进行了系统全面地归纳和总结，并对激光平均功率、波长、脉宽和推进剂选材等关键问题，进行了详细分析。
2022, 34: 011003.
doi: 10.11884/HPLPB202234.210326
摘要:
随着高功率密度激光技术的快速发展，强激光驱动的爆炸与冲击效应逐渐引起国内外学者的广泛关注。对强激光诱导爆炸与冲击效应研究进展进行了综述，包括强激光诱导爆炸载荷特征与相似律，强激光对材料表面冲击强化处理，强激光冲击诱导材料相变动力学行为，以及利用强激光驱动微弹道冲击等方面的研究进展，并指出了强激光诱导爆炸与冲击效应研究的发展趋势和未来需要解决的关键科学问题。
随着高功率密度激光技术的快速发展，强激光驱动的爆炸与冲击效应逐渐引起国内外学者的广泛关注。对强激光诱导爆炸与冲击效应研究进展进行了综述，包括强激光诱导爆炸载荷特征与相似律，强激光对材料表面冲击强化处理，强激光冲击诱导材料相变动力学行为，以及利用强激光驱动微弹道冲击等方面的研究进展，并指出了强激光诱导爆炸与冲击效应研究的发展趋势和未来需要解决的关键科学问题。
2022, 34: 011004.
doi: 10.11884/HPLPB202234.210331
摘要:
光学元件是各类激光系统不可或缺的光学功能实现部件，其性能决定了激光系统的输出能力和光束质量。光学元件的激光损伤问题从激光发明起就一直伴随着激光技术的发展，随着激光新技术的发展和激光新应用的牵引，激光的波段、脉冲宽度以及重复频率等参数不断拓宽，使得激光损伤问题更加复杂，但万变不离其宗，激光损伤问题的核心是光学元件或光学材料对激光的吸收机制问题。从激光与光学材料相互作用的基本原理出发，以惯性约束聚变（ICF）激光驱动器应用的典型光学材料和光学元件为研究对象，回顾了针对光学元件的激光损伤问题开展的科研工作，总结了在此期间形成的关键技术和里程碑进展，同时也对依然困扰该领域的几类光学元件存在的问题瓶颈以及进一步研究发展趋势进行了展望。
光学元件是各类激光系统不可或缺的光学功能实现部件，其性能决定了激光系统的输出能力和光束质量。光学元件的激光损伤问题从激光发明起就一直伴随着激光技术的发展，随着激光新技术的发展和激光新应用的牵引，激光的波段、脉冲宽度以及重复频率等参数不断拓宽，使得激光损伤问题更加复杂，但万变不离其宗，激光损伤问题的核心是光学元件或光学材料对激光的吸收机制问题。从激光与光学材料相互作用的基本原理出发，以惯性约束聚变（ICF）激光驱动器应用的典型光学材料和光学元件为研究对象，回顾了针对光学元件的激光损伤问题开展的科研工作，总结了在此期间形成的关键技术和里程碑进展，同时也对依然困扰该领域的几类光学元件存在的问题瓶颈以及进一步研究发展趋势进行了展望。
2022, 34: 011005.
doi: 10.11884/HPLPB202234.210336
摘要:
热效应是影响高功率光纤激光系统安全运行的重要因素之一。探索光纤激光系统热效应产生的源头，积极开展热效应控制技术研究，采取合理措施抑制热集中现象，大幅提高光纤激光系统的模式不稳定阈值以避免模式劣化现象，对于进一步提升光纤激光系统安全稳定输出功率具有非常重要的现实意义。以广泛使用的端面集中泵浦技术为例，概述了高功率连续光纤激光系统的主要热效应来源，提出了针对不同热效应需要采取的解决方案与合理化建议。最后着重介绍了长距离分布式侧面泵浦技术和泵浦增益一体化复合功能激光光纤，展望了万瓦级超高功率光纤激光器的未来发展前景。
热效应是影响高功率光纤激光系统安全运行的重要因素之一。探索光纤激光系统热效应产生的源头，积极开展热效应控制技术研究，采取合理措施抑制热集中现象，大幅提高光纤激光系统的模式不稳定阈值以避免模式劣化现象，对于进一步提升光纤激光系统安全稳定输出功率具有非常重要的现实意义。以广泛使用的端面集中泵浦技术为例，概述了高功率连续光纤激光系统的主要热效应来源，提出了针对不同热效应需要采取的解决方案与合理化建议。最后着重介绍了长距离分布式侧面泵浦技术和泵浦增益一体化复合功能激光光纤，展望了万瓦级超高功率光纤激光器的未来发展前景。
2022, 34: 011006.
doi: 10.11884/HPLPB202234.210334
摘要:
近年来，近地轨道的空间碎片问题对航天应用的威胁日益严峻。通过主动移除技术手段减少在轨空间碎片的数量，从而保障空间资源的可持续开发和航天器的安全运行，已成为相关领域研究的热点。溯源了空间碎片问题的产生及沿革，分析基于不同技术途径的主动移除方案的特点。重点研究了脉冲激光主动移除空间碎片的关键技术与科学问题，总结了现阶段的技术发展情况，并对未来天基激光移除空间碎片的发展方向给出了建议。
近年来，近地轨道的空间碎片问题对航天应用的威胁日益严峻。通过主动移除技术手段减少在轨空间碎片的数量，从而保障空间资源的可持续开发和航天器的安全运行，已成为相关领域研究的热点。溯源了空间碎片问题的产生及沿革，分析基于不同技术途径的主动移除方案的特点。重点研究了脉冲激光主动移除空间碎片的关键技术与科学问题，总结了现阶段的技术发展情况，并对未来天基激光移除空间碎片的发展方向给出了建议。
2022, 34: 011007.
doi: 10.11884/HPLPB202234.210530
摘要:
高能激光广泛应用于材料加工、科学研究、空间碎片清除、军事应用等领域。二极管泵浦高能激光具有结构紧凑，系统简单、全电驱无限弹仓的特点，近年来，各类二极管泵浦高能激光围绕着同时实现高功率、高效率、高光束质量这一总目标发展迅速。详细综述了国内外高平均功率块状固体激光、高功率可见光波段激光、高峰值功率激光、高功率光纤激光、碱金属蒸气激光等二极管泵浦高能激光的研究进展，并对其发展趋势进行了展望。
高能激光广泛应用于材料加工、科学研究、空间碎片清除、军事应用等领域。二极管泵浦高能激光具有结构紧凑，系统简单、全电驱无限弹仓的特点，近年来，各类二极管泵浦高能激光围绕着同时实现高功率、高效率、高光束质量这一总目标发展迅速。详细综述了国内外高平均功率块状固体激光、高功率可见光波段激光、高峰值功率激光、高功率光纤激光、碱金属蒸气激光等二极管泵浦高能激光的研究进展，并对其发展趋势进行了展望。
2022, 34: 011008.
doi: 10.11884/HPLPB202234.210296
摘要:
高能激光系统内光路热效应是影响系统性能的重要因素，介绍了内光路中光学元件、介质气体热效应物理模型，分析了影响热效应的主要因素，并开展了热效应变化规律研究。针对光学元件，重点研究了元件吸收率、元件材料特性、光斑分布对反射镜、窗口镜、分光镜热像差的影响规律，指出吸收率主要影响热像差的大小，而元件基底材料特性和激光分布影响热像差时间和空间变化。针对介质气体，指出介质气体升温后重力引起的自然对流是影响气体热像差的主要物理因素，细致研究了热像差随时间的变化规律，介绍了降低封闭与开放式内光路介质气体热像差的措施与方法。介绍了激光仿真软件平台Easylaser多物理仿真模块，搭建了包含反射镜、窗口镜、分光镜和介质气体的内光路计算模型，通过光-热-力-控多物理耦合仿真，研究了反射镜与窗口镜、介质气体与窗口镜热像差补偿效应，给出了激光传输远场光斑特征，表明了Easylaser的多物理仿真模块具备对内光路热效应综合仿真分析能力。
高能激光系统内光路热效应是影响系统性能的重要因素，介绍了内光路中光学元件、介质气体热效应物理模型，分析了影响热效应的主要因素，并开展了热效应变化规律研究。针对光学元件，重点研究了元件吸收率、元件材料特性、光斑分布对反射镜、窗口镜、分光镜热像差的影响规律，指出吸收率主要影响热像差的大小，而元件基底材料特性和激光分布影响热像差时间和空间变化。针对介质气体，指出介质气体升温后重力引起的自然对流是影响气体热像差的主要物理因素，细致研究了热像差随时间的变化规律，介绍了降低封闭与开放式内光路介质气体热像差的措施与方法。介绍了激光仿真软件平台Easylaser多物理仿真模块，搭建了包含反射镜、窗口镜、分光镜和介质气体的内光路计算模型，通过光-热-力-控多物理耦合仿真，研究了反射镜与窗口镜、介质气体与窗口镜热像差补偿效应，给出了激光传输远场光斑特征，表明了Easylaser的多物理仿真模块具备对内光路热效应综合仿真分析能力。
2022, 34: 011009.
doi: 10.11884/HPLPB202234.210321
摘要:
研究了脉宽对于中红外脉冲激光带内损伤碲镉汞（HgCdTe）材料阈值的影响，使用一维自洽模型对激光辐照HgCdTe材料程中的载流子数密度，载流子对数目流，载流子对能流，载流子温度和材料晶格温度等相关参数进行仿真计算。仿真结果表明，波长2.85 μm，脉宽30 ps～10 ns单脉冲激光带内辐照HgCdTe材料的损伤阈值为200～500 mJ/cm2。其中，300 ps～3 ns脉冲激光的损伤阈值相近，均为200 mJ/cm2且低于其他脉宽激光的损伤阈值。搭建实验光路并进行相关实验验证仿真模型的正确性。实验发现，波长2.85 μm、脉宽300 ps的单脉冲激光带内辐照HgCdTe材料的损伤阈值在200 mJ/cm2左右。相同条件下，10 ns单脉冲激光带内辐照HgCdTe材料的损伤阈值约474 mJ/cm2。百皮秒脉冲激光对HgCdTe材料的损伤过程结合了热击穿和光学击穿效应，其独特的毁伤机理加剧了材料的损伤。
研究了脉宽对于中红外脉冲激光带内损伤碲镉汞（HgCdTe）材料阈值的影响，使用一维自洽模型对激光辐照HgCdTe材料程中的载流子数密度，载流子对数目流，载流子对能流，载流子温度和材料晶格温度等相关参数进行仿真计算。仿真结果表明，波长2.85 μm，脉宽30 ps～10 ns单脉冲激光带内辐照HgCdTe材料的损伤阈值为200～500 mJ/cm2。其中，300 ps～3 ns脉冲激光的损伤阈值相近，均为200 mJ/cm2且低于其他脉宽激光的损伤阈值。搭建实验光路并进行相关实验验证仿真模型的正确性。实验发现，波长2.85 μm、脉宽300 ps的单脉冲激光带内辐照HgCdTe材料的损伤阈值在200 mJ/cm2左右。相同条件下，10 ns单脉冲激光带内辐照HgCdTe材料的损伤阈值约474 mJ/cm2。百皮秒脉冲激光对HgCdTe材料的损伤过程结合了热击穿和光学击穿效应，其独特的毁伤机理加剧了材料的损伤。
2022, 34: 011010.
doi: 10.11884/HPLPB202234.210342
摘要:
干涉成像光谱技术是利用光的干涉原理获取目标光谱信息的一种成像技术。为研究其在强光下的干扰效果和机理，以大孔径静态成像光谱仪为典型对象，开展了相关仿真实验研究。以实际地物的图像和光谱信息为对象，仿真生成了原始干涉成像图案，并模拟830 nm单波长激光和超连续谱激光两种干扰源，分别研究不同辐照强度下的典型干扰效果，分析时假设光谱角大于30°时原始光谱信息丢失。基于本文的仿真模型，得到的相关结果表明，在830 nm的单波长激光干扰情况下，当干扰与目标成像峰值之比大于0.2∶1时原始光谱信息无法正确复原（光谱角大于30°），但模拟加入830 nm滤光片后，干扰效果被有效滤除。在超连续谱激光干扰情况下，不考虑饱和阈值时光谱角数值最终稳定在21°；考虑探测器饱和阈值为目标成像强度峰值3倍时，干扰与目标成像峰值之比大于2.1∶1时，原始光谱信息便无法分辨。该研究可能为同类型光谱仪的激光辐照效应和损伤机理的后续研究，以及光谱成像系统的激光防护和性能优化提供参考。
干涉成像光谱技术是利用光的干涉原理获取目标光谱信息的一种成像技术。为研究其在强光下的干扰效果和机理，以大孔径静态成像光谱仪为典型对象，开展了相关仿真实验研究。以实际地物的图像和光谱信息为对象，仿真生成了原始干涉成像图案，并模拟830 nm单波长激光和超连续谱激光两种干扰源，分别研究不同辐照强度下的典型干扰效果，分析时假设光谱角大于30°时原始光谱信息丢失。基于本文的仿真模型，得到的相关结果表明，在830 nm的单波长激光干扰情况下，当干扰与目标成像峰值之比大于0.2∶1时原始光谱信息无法正确复原（光谱角大于30°），但模拟加入830 nm滤光片后，干扰效果被有效滤除。在超连续谱激光干扰情况下，不考虑饱和阈值时光谱角数值最终稳定在21°；考虑探测器饱和阈值为目标成像强度峰值3倍时，干扰与目标成像峰值之比大于2.1∶1时，原始光谱信息便无法分辨。该研究可能为同类型光谱仪的激光辐照效应和损伤机理的后续研究，以及光谱成像系统的激光防护和性能优化提供参考。
2022, 34: 011011.
doi: 10.11884/HPLPB202234.210329
摘要:
针对激光与机械载荷联合作用下碳纤维/环氧树脂增强复合材料（CFRC）层合板失效时间的预测需求，实验研究了不同激光功率密度（70～210 W/cm2）、不同预应力水平（拉伸强度的50%和70%）、不同光斑尺寸（拉伸试件宽度的70%和100%）下2 mm厚层合板的失效机理，获取了不同影响因素对断裂时间的影响规律。结果表明：预加载层合板失效机制为迎光面环氧树脂基底材料热解、纤维氧化断裂，背光面剩余结构偏脆性断裂；在预应力一定条件下，试件断裂时间与辐照激光功率密度成指数规律；预应力水平对断裂时间影响显著。
针对激光与机械载荷联合作用下碳纤维/环氧树脂增强复合材料（CFRC）层合板失效时间的预测需求，实验研究了不同激光功率密度（70～210 W/cm2）、不同预应力水平（拉伸强度的50%和70%）、不同光斑尺寸（拉伸试件宽度的70%和100%）下2 mm厚层合板的失效机理，获取了不同影响因素对断裂时间的影响规律。结果表明：预加载层合板失效机制为迎光面环氧树脂基底材料热解、纤维氧化断裂，背光面剩余结构偏脆性断裂；在预应力一定条件下，试件断裂时间与辐照激光功率密度成指数规律；预应力水平对断裂时间影响显著。
2022, 34: 011012.
doi: 10.11884/HPLPB202234.210338
摘要:
通过实验和理论分析的方法研究1064 nm激光不同辐照时间对小鼠皮肤的热损伤规律。利用皮肤镜图像和光学相干断层图像评估小鼠皮肤组织热损伤程度，利用Arrhenius热损伤方程计算热损伤参数，建立激光诱导皮肤组织热损伤模型，并与实验结果进行对比。结果表明，在靶功率密度为30 W/mm2的1064 nm激光辐照下，0～100 ms辐照时间内，小鼠皮肤组织损伤可恢复；150～280 ms辐照时间内，小鼠皮肤组织出现水肿现象和热凝固损伤；280～550 ms辐照时间内，小鼠皮肤表皮层出现汽化现象，损伤斑周围出现焦痂，真皮层发生变性；660 ms辐照时间以上，小鼠皮肤表皮层和真皮层出现汽化现象，伤口渗出组织液，皮下组织发生变性。理论分析与实验结果一致，建立的热损伤模型能够验证小鼠皮肤热损伤程度。
通过实验和理论分析的方法研究1064 nm激光不同辐照时间对小鼠皮肤的热损伤规律。利用皮肤镜图像和光学相干断层图像评估小鼠皮肤组织热损伤程度，利用Arrhenius热损伤方程计算热损伤参数，建立激光诱导皮肤组织热损伤模型，并与实验结果进行对比。结果表明，在靶功率密度为30 W/mm2的1064 nm激光辐照下，0～100 ms辐照时间内，小鼠皮肤组织损伤可恢复；150～280 ms辐照时间内，小鼠皮肤组织出现水肿现象和热凝固损伤；280～550 ms辐照时间内，小鼠皮肤表皮层出现汽化现象，损伤斑周围出现焦痂，真皮层发生变性；660 ms辐照时间以上，小鼠皮肤表皮层和真皮层出现汽化现象，伤口渗出组织液，皮下组织发生变性。理论分析与实验结果一致，建立的热损伤模型能够验证小鼠皮肤热损伤程度。
2022, 34: 011013.
doi: 10.11884/HPLPB202234.210257
摘要:
利用激光烧蚀等离子体射流可以获得数km/s 甚至上千km/s 的射流速度，远超目前绝大多数设备所能提供的模拟速度，并且覆盖了极大的温度与密度范围，作为加载手段具有广阔的应用前景。通过实验方法，探索和发展激光烧蚀等离子体射流这一新型实验模拟手段，利用高功率激光烧蚀产生高温高压等离子体射流，实现超高速气体动力学实验室模拟的新途径。以此作为加载条件，研究超高速物体与气体相互作用的气体动力学特性。通过建立激光烧蚀等离子体射流与固体靶相互作用实验方法，可进一步研究等离子体射流的产生、发展以及高速物体气体动力学，为下一步开展天体物理、小行星形貌、超高速陨石与行星大气相互作用机制等相关研究奠定基础。
利用激光烧蚀等离子体射流可以获得数km/s 甚至上千km/s 的射流速度，远超目前绝大多数设备所能提供的模拟速度，并且覆盖了极大的温度与密度范围，作为加载手段具有广阔的应用前景。通过实验方法，探索和发展激光烧蚀等离子体射流这一新型实验模拟手段，利用高功率激光烧蚀产生高温高压等离子体射流，实现超高速气体动力学实验室模拟的新途径。以此作为加载条件，研究超高速物体与气体相互作用的气体动力学特性。通过建立激光烧蚀等离子体射流与固体靶相互作用实验方法，可进一步研究等离子体射流的产生、发展以及高速物体气体动力学，为下一步开展天体物理、小行星形貌、超高速陨石与行星大气相互作用机制等相关研究奠定基础。
