激光烧蚀中碳含量对甘油溅射特征的影响

张思齐， 梁 田， 郑志远

(中国地质大学 数理学院， 北京 100083)

激光烧蚀中碳含量对甘油溅射特征的影响

张思齐， 梁 田， 郑志远

(中国地质大学 数理学院， 北京 100083)

研究了激光等离子体推进中掺碳甘油在纳秒脉冲激光烧蚀后的烧蚀溅射特征。以石墨块材容器盛放不同质量分数的掺碳甘油工质，在波长1 064 nm，脉冲10 ns的YAG激光器不同能量的烧蚀下，分别进行靶动量、掺碳甘油散射斑和质量损失的采集。结果发现,随着激光能量的增强，溅射的甘油总量增加，液滴变小；随碳含量的增加，甘油溅射量明显降低，在碳含量达到5%时，观察不到甘油的溅射。该结果表明，碳掺杂能有效降低溅射量，但动量耦合系数与推进比冲随溅射量的减少也相应的降低，这是由于靶动量的产生主要来自于伴随等离子体产生而发生的液体溅射，同时掺碳甘油中聚焦点的转移也起到了部分作用。

激光烧蚀； 碳掺杂甘油； 溅射

0 引 言

激光等离子体推进技术是近几年发展起来的一种新型推进技术，它是利用强激光烧蚀靶材表面产生高速喷射的等离子体，在等离子体喷射的反方向产生一个推力，该推力作为一种新型的推进源而受到诸多研究者的关注。作为被激光烧蚀的靶材料，到目前为止，进行了很多尝试，如各种金属、高分子材料、液体等。其中液体靶材由于高的耦合系数及便于储存等特点而成为一种理想选择[1-6]。例如Zheng等[7-8]用激光烧蚀水，取得了3.5 mN/W的耦合系数；蔡建等[9]在铝衬底上烧蚀水，发现能大幅度提高水的耦合系数。但对于液体靶材而言，伴随等离子体的喷射，多数未离化的液体也随之消耗掉，消耗部分占总量的比例高达95%，这将大幅度降低推进的比冲，目前实验上获得的数值仅为几s。为解决液体溅射问题，张翼等[10]利用在液体水中掺杂墨水，使得比冲提高到了19 s；洪延姬等[11-12]采用雾化水滴来控制液体的供给量，使比冲提高到几十s；Fardel等[13]提高液体聚合物的黏度来降低溅射，其溅射图像明显地表明液体可以有效降低溅射量；Zheng等[14]发现水的黏性与比冲成近线性关系。最近,秦承泰等[15]提出甘油中掺杂碳来降低溅射的方法。

本文采用黏度较高的甘油作为烧蚀液体，同时通过掺杂不同浓度的碳粉来进一步提高对入射激光的吸收，提高耦合系数，并对烧蚀后的溅射形貌、微滴分布、质量损失、推进比冲等特征进行了表征和测量。通过对黏性液体溅射特征的研究，获悉掺杂方式在提高推进比冲中的作用。

1 实验部分

实验装置如图1所示。盛放液体的容器是3 mm×8 mm×5 mm的石墨块材，中间有一个深度0.25 cm，直径1.5 cm的凹槽，甘油置于其中。实验中使用的激光脉冲宽度10 ns，波长1 064 nm，最大能量600 mJ，激光脉冲经透镜(f=200 mm,φ=50 mm)垂直入射到甘油表面。在距离靶材45 mm的位置，放置直径40 mm，厚度1 mm的透明玻璃片作为接收屏。烧蚀过程中，溅出的液体在接收屏上形成散射斑，通过CCD记录散射斑，然后利用计算机获得溅射特征。

实验中涉及到的靶动量是通过单探测光装置获得[11-12]。激光的单发(即单次脉冲)烧蚀质量损失是通过精度为0.01 mg的电子天平获得的，每个数值都是5次的平均值。实验中的碳含量指的是质量分数含量，分别为0.1%, 0.5%, 1.0%, 3.0%和 5.0%。

图1 实验装置示意图

2 结果及分析

图2是不同碳含量的甘油在激光烧蚀后的典型溅射斑。可以看出，散射斑上微滴的数量随着碳含量的增加而逐渐减少。特别是在含量为5%的情况下，接收屏上基本看不到溅射出的微滴。液体靶材与脉冲激光相互作用产生等离子体，随着等离子体的产生，部分没有离化的液体会随着等离子体的膨胀而溅射出来，溅射量的多少与入射激光波长、能量、液体黏度等多个参量相关。本实验中之所以选取甘油作为烧蚀液体，原因就是因为甘油具有的高黏度系数，可以大幅度降低其溅射量;再者，掺杂的碳能够增加对入射激光1 064 nm的吸收。通过在高黏度的液体中掺杂来提高比冲的方法，是近几年提出的降低液体溅射的有效方法之一[13]。

(a) 0%

(b) 0.1%

(c) 0.5%

(d) 1.0%

(e) 5.0%

图2 不同碳含量下激光烧蚀后的溅射斑分布

为进一步探究碳掺杂对甘油溅射的影响，对比了纯甘油与碳含量为1%的甘油在不同入射激光能量下的溅射斑，如图3所示。可以看出，随着入射激光能量的增加，纯甘油与掺碳甘油的溅射量都有所增加，同时两者的溅射微滴尺寸都有所降低;另一方面，掺碳后的溅射微滴尺寸明显大于为掺碳的纯甘油的微滴尺寸。这表明，甘油掺碳后，黏度增加;而高的黏度将有效降低溅射量。

为定量表征碳含量对烧蚀质量的影响，对不同碳含量下激光单发的烧蚀损失量以及损失量占总量的百分比进行了测量，如图4、5所示，其中的0%含量对应于纯的甘油。从图4看出，随着碳含量的增加，激光烧蚀的溅射量明显降低，例如纯甘油的单发质量损失为1.8 mg/发，而5%碳含量甘油的每发质量损失减少为0.7 mg/发。这样的结果与图2中从接收屏看到的结果是一致的。图5给出了激光烧蚀后残留的甘油与总甘油量的比值，由于溅射量的降低，残留量随着碳含量的增加，比例明显上升。在5%的碳掺杂中，残留量达到了60%以上，大部分甘油依然存留。

图4 不同碳含量下，激光每发的烧蚀量

图5 不同碳含量的甘油在激光烧蚀后残留量占烧蚀总量的百分比

图6 不同碳含量下产生的动量

图7 不同碳含量下产生的比冲

比冲定义为消耗单位质量的靶材所产生的靶动量。图6、7为不同碳含量的甘油产生的靶动量及比冲。由图6可以看出，靶动量是随碳含量的增加而减少，由纯甘油的17 g·cm/s降到2 g·cm/s。虽然随着碳含量的增加，靶动量呈现降低趋势，但由推进比冲的定义可知，比冲的具体数值还与损失的质量密切相关。根据图4得到的激光烧蚀单发对应的质量损失，以及图6给出的靶动量，碳含量对比冲的影响可由图7得到。可以看出，获得比冲依然在10 s以下。该结果表明，碳掺杂能够有效降低液体甘油的溅射，但相对应的靶动量也减小。

在激光与液体靶材相互作用中，伴随等离子体的产生，等离子体的膨胀，大部分未离化的液体也随之溅射。靶动量来自于两部分：一部分是等离子体的喷射；第二部分是其他液体的喷射。该实验结果说明高耦合系数产生的主要原因是来自伴随等离子体产生的液体溅射，而不是等离子体本身的喷射。在本实验中，碳含量的增高改变了入射激光的聚集位置以及聚集的峰值功率。在纯甘油中，入射激光可以聚焦到液体底部，使得大部分液体溅射出来，残留量很少。由于含碳甘油对激光是不透明的，使得激光的聚焦位置由液体底部逐步移动到液体表面。特别是含碳量高的甘油，这种现象更加明显，使得等离子体产生在液体表面，液体本身的损耗也随之降低。

3 结 语

通过在高黏性的液体中掺杂来解决液体靶材的溅射问题，是提高推进比冲的一种思路。本研究中，掺杂的碳能有效地降低甘油的溅射，特别是对于高比例的碳掺杂几乎消除了液体的溅射。但在该过程中，靶动量的很大一部分来自于伴随等离子体产生而发射的溅射，而等离子体本身的喷射对靶动量的贡献很小。

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Impact of Carbon Content in Carbon-doped Glycerol upon Laser Ablation Sputtering Characteristics

ZHANGSiqi,LIANGTian,ZHENGZhiyuan

(School of Science, Chinese University of Geosciences, Beijing 100083, China)

Characteristics of the carbon-doped glycerol ablated by nanosecond laser pulse at different carbon contents are investigated at laser plasma propulsion. A graphite block vessel filled with carbon-doped glycerol is served as the propellant. The target momentum and the sputtering spot as well as the mass loss are melted and ablated by a YAG laser at different energy with 1064nm wavelength and 10ns pulse duration. Results show that with the energy increasing, the mass loss increases and the sizes of the droplet becomes smaller. Furthermore, the ejection volume decreases with the carbon content increasing. Glycerol sputtering cannot be observed at the carbon content of 5%. It means that carbon-doped glycerol can reduces the sputtering efficiently. However, the coupling coefficient and specific impulse present decreasing tendency in this process. This is because that the target momentum is mainly determined by the glycerol ejection, as well as the laser focus position is varied by the doped carbon.

laser ablation； carbon-doped glycerol； sputtering

2016-06-02

国家自然科学基金项目(10905049);中央高校基本科研业务费(53200859165, 2562010050)项目资助

张思齐(1990-)，男，山东德州人，硕士生，主要研究方向为光学。

Tel.：13439763667； E-mail：2119140011@cugb.edu.cn

郑志远(1975-)，男，山东潍坊人，副教授，主要研究方向为强激光与物质作用。

Tel.：010-82322379； E-mail：zhyzheng@cugb.edu.cn

TN 249

A

1006-7167(2017)02-0026-04