1、研究背景

近年来，由于激光烧蚀在脉冲激光沉积、激光硬化、激光抛光表面、激光材料加工、激光诱导击穿光谱和脉冲激光烧蚀推进等方面的广泛应用，对激光烧蚀过程的研究越来越多。在这些应用中，脉冲激光的激光烧蚀推进(laser ablation propulsion, LAP)在一些日益重要的太空领域展现出潜在的解决方案，如清除太空碎片，用于纳米卫星轨道和姿态控制的激光烧蚀微推进器，以及对非合作太空目标的远程清除。这些在太空中的应用主要是基于远离目标表面的快速膨胀的烧蚀羽流所产生的反冲。因此，脉冲激光烧蚀羽流的基本原理及其对产生冲量的影响引起了人们的极大关注。

脉冲激光的激光烧蚀推进(laser ablation propulsion, LAP)通常使用高能量密度的脉冲激光，由此产生的等离子体羽流是一个重要的临界现象，研究冲量与等离子体羽流之间的关系对于描述LAP的表现有着重要意义。利用快速摄影技术拍摄不同激光强度和不同延时下的等离子体羽流图并进行分析比较，是目前研究LAP表现的最常用的技术手段之一。

本研究利用扭摆测量了纳秒脉冲激光烧蚀对铝靶产生的冲量，并借助具有纳秒时间快门的IsCMOS相机拍摄到了不同激光强度和不同延时下的等离子体羽流图。通过对羽流结构和冲量耦合系数的比较，总结了烧蚀冲量与羽流的关系。此外，从时间分辨羽流图的等离子体发射波前中推导出相对能量耦合效率，以更好地理解冲量耦合特性的影响。

2、实验方案与结果

实验的设置如图1所示。该系统置于10-2 Pa的真空室中，用于测量激光照射产生的冲量，并对激光消融诱导的等离子体进行拍照。采用钕掺杂的钇铝石榴石(Nd: YAG)激光作为能量源对铝靶(铝合金，牌号5A06)进行烧蚀。激光脉宽(半高全宽)为8.7 ns，波长为1064 nm。聚焦激光光斑的辐射亮度分布近似为高斯分布。实验中，利用150mm平凸透镜，将脉冲激光垂直聚焦于靶表面。保持透镜与靶面之间的距离恒定。实验中，传输到靶表面的激光脉冲能量范围为55.1 ~ 603 mJ。为保证能量测量的准确性，实验前后采用能量计（FieldMax, Coherent）分别测量脉冲激光到达铝靶面的能量。在测试中，激光脉冲与脉冲之间的能量不确定度不超过4%。使用高精度电子天平(XS105DU, Mettler Toledo)对烧蚀质量称重。在扭转摆下安装电动平移台来改变靶上的烧蚀位置，从而保证每个激光脉冲在靶上都有一个新的表面积。

图1 用于激光烧蚀冲量和等离子体羽流测量的实验装置示意图。利用扭摆测量脉冲激光烧蚀产生的微冲量。IsCMOS相机被用来记录快速移动的等离子体羽流的时间分辨图像。利用该光谱仪研究了铝等离子体羽流的发射光谱。虚线表示触发通道和数据采集通道。

将高速IsCMOS (TRC311-S-HQB, 中智科仪)垂直于目标面法线方向放置，利用该IsCMOS对不同延迟时间和不同激光能量密度下的等离子体羽流结构进行可视化和记录。脉冲激光诱导的可见等离子体辐射可在400 ~ 800 nm范围内记录。用光栅摄谱仪记录等离子体的光谱分辨图像。使用数字延迟脉冲发生器(DG645，Stanford Research System)触发IsCMOS和激光器的零点和延迟时间来实现时间分辨。实验中通过组合透镜实现空间分辨。

3、实验结果

等离子体羽流图像与冲量耦合系数的对比：

选择光谱线出现在624.33 nm波长处的Al+作为代表性物质对等离子体羽图像进行分析。利用快速成像技术可以在IsCMOS的光谱窗口内提供整体的羽流自发射情况，从而获得二维映射。图2(a)所示为脉冲激光烧蚀后，在门宽为500 ns时记录的羽流形态图像。对于所有的激光能量密度，羽流结构近似为半球形。当能量密度大于15.92 J/cm2时，辐射强度有明显的区别。这是因为电荷态随激光注量的增加而增加，能量分布向高能量方向移动。此外，随着激光能量密度的增加，观察到等离子体羽流中辐射强度最高的区域位于靶面上方，称为等离子体核心。其核心是通过吸收入射激光形成的，由大量高能等离子体组成。

图2 IsCMOS图像。(a)完整的等离子体羽流和(b)不同激光能量密度值下记录的Al+羽流，曝光时间为500 ns。

为了记录时间积分的Al+离子发射羽流图像，在IsCMOS前放置了一个中心波长为625 nm、半高宽为10 nm的可见波段带通滤波器。带通滤波器有助于传输一个明确定义的光学发射波段，同时过滤其他不需要的辐射。使用滤波器得到的Al+离子羽流图像如图2(b)所示。从发射图像中可以清楚地看到，当激光能量密度较低时，图中没有观察到Al+发射强度。其原因是羽流中含有电离度较低的蒸汽物质。当能量密度超过15.92 J/cm2时，发射计数更加明显。随着能量密度的增大，发射强度变亮，图中发射面积变大。一般认为，随着激光能量密度的增加，离子组分和电离度的增加是造成该现象的合理原因。此外，由于近红外激光波长的逆轫致辐射(IB)，在较高的激光能量密度下，中性和带电物质的能量较高。在不同的激光影响下对应于Cm的等离子体羽流的典型发射图像如图3所示。在能量密度小于10 J/cm2时，发射强度较弱，产生的冲量较小，主要由目标表面汽化驱动。随着能量密度的增加，等离子体羽流辐射强度逐渐增大，Cm增大。当Cm在15.92 J/cm2左右达到最大值时，羽流的辐射强度变亮。此外，当能量密度继续增大时，Cm随着等离子体核心的出现而减小，离子发射强度变小，这表明部分入射激光能量被等离子体羽流吸收，而不是传输到铝靶表面。Cm与辐射图像的比较表明，最佳Cm发生在羽流初始电离的情况下。

图3 等离子体羽流的一些典型的时间积分图像对应于不同激光能量密度下的冲量耦合系数。

等离子体羽流前缘分析：

图4给出了在0 ~ 350 ns延迟阶段内不同时间膨胀的等离子体羽流的时间分辨图像。IsCMOS设备的快门宽度设置为5 ns。在激光产生等离子体的早期阶段，羽流迅速向轴向和横向扩展。此外，等离子体羽流的发光边界与激波波前密切相关，尤其是在早期(尤其是400 ns之前)。因此，激波模型适用于激光诱导等离子体羽流的前缘传播。激光烧蚀产生的等离子体羽流也可用于预测激光抛光的表面粗糙度。

图4 不同激光能量密度下5 ns快门时间下膨胀羽流的时间分辨IsCMOS图像

4、结论

用扭摆实验测量了烧蚀脉冲。为了分析推力性能，计算了冲量耦合系数，同时用IsCMOS记录等离子体羽流的图像。当激光能量密度超过15.92 J/cm2时，Al+羽流的发射强度更加明显。冲量耦合系数Cm的下降阶段与带有等离子体核心的羽流的强辐射图像相对应。由大量电子和离子组成的核吸收入射的激光能量，产生等离子体屏蔽效应。等离子体羽流的图像提供了更好的理解烧蚀羽流对冲量耦合特性的影响。

从等离子体羽流前缘的时间分辨图像推导出无量纲的相对能量耦合效率，它能反映羽流的能量释放。有趣的是，依赖于激光能量密度的无量纲效率的变化趋势与冲量耦合系数的变化趋势相似。所得结果为后续研究羽流动力学对冲量耦合的影响提供了一种有用的方法。

5、解决方案

由中智科仪自主研发生产的逐光IsCMOS像增强相机采用高量子效率低噪声的2代Hi-QE以及第3代GaAs像增强器，光学门宽短至500皮秒；全分辨率帧速高达98幅/秒；内置皮秒精度的多通道同步时序控制器，由SmartCapture软件进行可视化时序设置，完全适合时间分辨快速等离子现象。

1. 500皮秒光学快门。以皮秒精度捕捉瞬态现象，并大幅降低背景噪声。

2．超高采样频率。逐光IsCMOS相机目前全分辨率下可达98帧，提供高速数据采集速率，同时可提供实验效率。此外设置使用其中16行的区域下，可以达到1300帧以上。

3．精准的时序控制逐光TRC411像增强相机具有三路独立输入输出的时序同步控制器，最短延迟时间为10皮秒，内外触发设置可实现与激光器以及其他装置精准同步。

4. 创新“零噪声”技术得益于单光子信号的准确识别，相机的暗噪声及读出噪声被完全去除。

（论文链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/9256315）