研究背景

在高速風洞內開展激光破壞實驗，是高速目標激光破壞機理研究的一種重要手段。開展此實驗不僅需要同時具備高速風洞與高能激光的實驗裝備條件，還要在實驗過程中獲取足夠充分的多物理場動態(tài)信息。

激光輻照面的損傷演化原位觀測是其中的一個關鍵技術。在強激光輻照下，靶材表面迅速升溫并形成高溫強輻射，加之激光輻射以及高速風洞環(huán)境干擾等因素，激光輻照面的瞬態(tài)燒蝕行為被直接觀測的難度極大，目前還未有實質性進展。

目前常用的分析方法是在實驗結束后對靶材進行測量，獲取最終的燒蝕形貌、燒蝕深度或平均質量燒蝕速率等數(shù)據(jù)，利用掃描電鏡觀察材料表面顯微組織特征，采用能譜分析對材料表面化學成分進行定性和半定量的分析，或用X射線衍射對材料的相組成進行定性分析，據(jù)此推測出研究對象的激光燒蝕機理。

然而上述方法無法為激光破壞機理研究提供實時、可靠、直接的實驗數(shù)據(jù)。如何揭開高能激光輻照面損傷演化過程的神秘“面紗"，是激光破壞效應研究領域亟需解決的難題。

創(chuàng)新工作

針對激光破壞效應研究領域的應用需求，中國科學院力學研究所宋宏偉研究員團隊提出了一種適用于獲取激光誘導高溫下材料燒蝕形貌的原位觀測技術，獲得了典型金屬材料和復合材料在超聲速切向氣流條件下的瞬時燒蝕行為。清晰的瞬時燒蝕圖像及相關圖像處理為理解復雜的激光燒蝕機理提供了更加直觀的支撐性數(shù)據(jù)。

通過光流法可以準確分析金屬材料熔融尾跡區(qū)域的形成過程，即利用序列圖像灰度隨時間的變化來確定物體結構及其運動關系。圖1（a）顯示了鈦合金尾跡區(qū)從燕尾狀轉變?yōu)橛鹨頎畹倪^程。圖1（b）可分析出復合材料的瞬時燒蝕行為：在激光能量持續(xù)輸入與切向氣流引起的機械剝蝕效應的耦合作用下，平紋編織碳纖維增強碳化硅陶瓷基（2D C/SiC）復合材料的碳纖維層開始出現(xiàn)明顯的逐層剝離，并且剝蝕形貌以片狀剝蝕為主。

圖1 典型材料的瞬時燒蝕行為。（a）鈦合金；（b）2D C/SiC

圖2是碳纖維增強環(huán)氧樹脂基（CFRP）復合材料在不同激光功率與超聲速切向氣流條件下的動態(tài)燒蝕形貌。裸露纖維鋪層角度的變化說明了 CFRP 復合材料的燒蝕深度在逐漸變化。

圖2 CFRP復合材料在不同激光參數(shù)以及來流條件下的瞬時燒蝕行為。（a）激光功率為1000 W，無來流；（b）1000 W，Ma 1.8；（c）1000 W，Ma 3.0；（d）2000 W，Ma 3.0

以纖維作為參考粒子，基于粒子圖像測速法獲得了CFRP的瞬時燒蝕深度，計算結果如圖3所示。圖3（a）中的速度矢量云圖代表了不同鋪設角度下纖維的運動方向，當速度矢量方向發(fā)生變化時，即認為 CFRP 復合材料中的單層材料已經(jīng)燒蝕，此時記錄一次燒蝕深度，從而獲得瞬時燒蝕深度。

不同于實驗后測量獲得的線性平均燒蝕速率，基于上述方法獲得的瞬時燒蝕深度呈明顯的非線性行為。由圖3（b）所示的瞬時燒蝕深度可知，復合材料在超聲速切向氣流下的激光燒蝕深度與激光功率密度、來流速度均相關。

圖3 CFRP 復合材料在超聲速切向氣流作用下的激光燒蝕行為。（a）速度矢量云圖；（b）不同功率和馬赫數(shù)下的瞬時燒蝕深度

后續(xù)工作

團隊后續(xù)將提高原位觀測技術的測量精度，利用數(shù)據(jù)分析法獲取微觀尺度下的激光破壞行為，結合其他多物理場原位測量技術，為進一步理解高速來流條件下的激光破壞機理提供基礎性支撐。

參考文獻： 中國光學期刊網(wǎng)

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