一种远距离、高效能比的复合激光毁伤方法
本发明涉及激光技术应用领域。具体涉及一种远距离、高效能比的复合激光毁伤方法。
背景技术：
1、高能激光具有能量集中、传输速度快、火力响应快、命中精度高、作用距离远、抗干扰能力强、能多次重复使用和经济性好等优点，呈现出快速发展的趋势。
2、现有高能激光毁伤主要以高能连续激光为主。远距离传输(几十公里量级)后激光发生发散，到靶功率显著降低，作用在目标靶材上的激光功率密度约为1000w/cm2量级，需要1-10s量级的持续辐照时间才能实现对目标的有效毁伤，且难以实现对透明硬脆材料(例如蓝宝石窗口镜、装甲陶瓷)、高反合金材料(例如钛合金、铝合金)等的有效毁伤。若通过大幅提升激光功率等指标来提高毁伤能力，又无疑增加了高能激光研制的难度和成本。因而，如何调控高能激光烧蚀效率，实现对透明、高反等靶材的远距离高效毁伤成为亟待解决的难题与挑战。
3、多项研究证明，短脉冲激光的辅助可极大降低连续激光或者长脉冲激光作用下靶材的烧蚀阈值(约一个数量级)。复合激光烧蚀技术可实现高的毁伤效率同时降低高能激光的功率需求——这可为现有高能激光烧蚀的技术发展提供新的切入点。在这一方面，已授权的专利(cn 221238252 u)将连续激光和脉冲激光结合一起对弹体进行烧蚀，先通过连续激光器对未爆弹的弹体表面进行辐射，使弹体的表面升温，随后再通过脉冲激光器对弹体表面进行烧蚀。然而，现有的复合损伤方法都是直接利用聚焦实现短距离范围内的材料烧蚀，对于远距离(几十公里量级)的高能激光毁伤，考虑到大气衰减、湍流、热晕，与受激拉曼散射、大气击穿等非线性效应等影响，功率将出现显著下降而难以聚焦靶材实现需求的功率密度(>107w/cm2)。一部分复合激光方法，在短焦距作用下能够实现高的峰值功率密度，但是远距离传输下，功率密度将下降到百分之一甚至千分之一，难以在材料表面制备缺陷或激发等离子体冲击波。
4、而在传输方面，飞秒激光空间成丝具有显著的优势。高功率激光在空气中传输时，电离介质产生的等离子通道通常称为“光丝”，这一过程也被称为成丝现象，而光丝内光强保持恒定的现象被称为光强钳制效应(约1014w/cm2)。因此，飞秒激光空间成丝具备远距离传输能力，为透明介质的高效能损伤提供了新的思路。利用超快激光空间成丝远距离传输下的功率密度保持特性，辅助高能连续激光进行靶材毁伤，可充分解决远距离激光毁伤难题。
技术实现思路
1、针对现有高能连续激光远距离传输下损伤效能比低的难题，提出超快激光空间成丝辅助高能连续激光远距离传输毁伤的新方法。
2、通过对高能超快激光进行空间聚焦以形成光丝，其光丝长度可调控至数十公里，光丝直径在毫米至厘米量级大小。光丝内部受光强钳制效应，其功率密度可稳定在1013-1015w/cm2量级。因而，超快激光空间成丝下，可实现高功率持续远距离传输，从而对透明、高反类靶材可实现无差别损伤。
3、超快激光空间成丝远距离传输同时，辅助高能连续激光实现空间同步聚焦的超快激光/连续激光的复合作用。单连续激光作用下透明、高反靶材因低吸收并不会有毁伤现象出现。而超快激光成丝辅助作用下，高峰值功率密度烧伤靶材表面形成缺陷，该缺陷将显著改善透明、高反类材料吸收。因而超快激光空间成丝辅助连续激光可实现透明、高反类靶材表面烧蚀。
4、缺陷改善吸收后，超快激光空间成丝与连续激光空间聚焦下将在靶材内部形成有效熔融。而飞秒激光空间成丝同步激发的冲击波将会增强熔融材料的移除，因而持续性作用下将形成靶材的有效毁伤。
5、本发明提供的一种远距离、高效能比的复合激光毁伤方法，包括以下步骤：
6、步骤一、通过空间聚焦或直接传输高能超快激光以形成公里级长度光丝，通过光丝的光强钳制特性保证光丝远距离传输时仍可保持恒定的高功率密度，实现远距离靶材表面的初步损伤。
7、步骤二、高能连续激光传输同样距离后作用于靶材相同位置。超快激光在靶材表面形成缺陷，可显著提升材料对高能连续激光的吸收，并且空间成丝激发的冲击波将会增强熔融材料的移除，从而通过超快激光/连续激光的复合作用实现对靶材的有效毁伤。
8、进一步，所述超快激光为皮秒激光或飞秒激光。
9、进一步，所述靶材为蓝宝石、氧化铝陶瓷、钛合金等。
10、进一步，所述超快、连续激光的波长在266-2000nm范围内。
11、进一步，高能超快激光的重频为1khz-10 mhz。
12、进一步，高能超快激光形成光丝的直径为百微米至数厘米，功率密度为1013-1015w/cm2。
13、进一步，连续激光直径为1-20cm，连续激光功率为万瓦-千万瓦级，传输后作用于靶材的功率密度为100w/cm2-10000 w/cm2。
14、进一步，复合激光的传输距离最高达百公里。
15、进一步，通过准直镜和反射镜调整复合激光传输方向，并实现同轴传输或成一定夹角传输后作用于同一位置。
16、进一步，高能超快激光可在burst模式下输出从而延长成丝长度并增强成丝稳定性。
17、有益效果
18、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
19、1.现有的远距离传输高能激光损伤方法，以连续激光持续性作用为主，远距离传输后会发生发散，功率衰减，功率密度不足以损伤透明、高反类目标靶材。而超快激光空间成丝的功率钳制效应可保证数十公里范围内的高功率密度激光传输，可在透明、高反等靶材表面形成烧蚀从而制备缺陷。缺陷在后续的复合激光作用下将显著增强激光吸收，从而提升损伤效能。
20、2.本发明提出的远距离、高效能比复合激光损伤方法，解决了单独连续激光难以损伤透明、高反类靶材的同时，其相比于单独超快激光损伤，其损伤效能也有极大提高。超快激光聚焦成丝下，虽然具备高峰值功率密度，其损伤效率因激发的等离子体屏蔽会受极大限制，且注入的激光能量与复合激光中连续激光能量相差较远。因而单超快激光空间成丝远距离传输损伤下能够实现的损伤效率也远小于复合激光损伤。
21、3.此外，飞秒激光空间成丝与连续激光复合，可在更短时间内实现目标靶材的穿透损伤。现有的高能连续激光损伤方式需要1-10s时间实现靶材穿透损伤，而同参数连续激光在飞秒激光空间成丝辅助下，可在50ms作用时间实现靶材的穿透损伤。
22、本发明提出的利用超快激光空间成丝辅助高能连续激光远距离传输进行毁伤的新方法，一方面充分利用超快激光空间成丝远距离高峰值功率传输性能，另一方面利用高能连续激光高能注入特性，实现了超快+连续＞＞超快或连续的复合效果，从而针对透明、高反等多种类材料可现实远距离、高效能比的激光损伤效果。
技术特征：
1.一种远距离、高效能比的复合激光毁伤方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的远距离、高效能比的复合激光毁伤方法，其特征在于，所述超快激光为皮秒激光或飞秒激光。
3.根据权利要求1所述的远距离、高效能比的复合激光毁伤方法，其特征在于，所述靶材为蓝宝石、氧化铝陶瓷、钛合金等。
4.根据权利要求1所述的远距离、高效能比的复合激光毁伤方法，其特征在于，所述超快、连续激光的波长在266-2000nm范围内。
5.根据权利要求1所述的远距离、高效能比的复合激光毁伤方法，其特征在于，高能超快激光的重频为1khz-10 mhz。
6.根据权利要求1所述的远距离、高效能比的复合激光毁伤方法，其特征在于，高能超快激光形成光丝的直径为百微米至数厘米，功率密度为1013-1015w/cm2。
7.根据权利要求1所述的远距离、高效能比的复合激光毁伤方法，其特征在于，连续激光直径为1-20cm，连续激光功率为万瓦-千万瓦级，传输后作用于靶材的功率密度为100w/cm2-10000 w/cm2。
8.根据权利要求1所述的远距离、高效能比的复合激光毁伤方法，其特征在于，复合激光的传输距离最高达百公里。
9.根据权利要求1所述的远距离、高效能比的复合激光毁伤方法，其特征在于，通过准直镜和反射镜调整复合激光传输方向，并实现同轴传输或成一定夹角传输后作用于同一位置。
10.根据权利要求1所述的远距离、高效能比的复合激光毁伤方法，其特征在于，高能超快激光可在burst模式下输出以延长成丝长度并增强成丝稳定性。
技术总结
本发明提供一种远距离、高效能比的复合激光毁伤方法，包括：首先实现超快激光的高功率远距离传输，具体通过空间聚焦高能超快激光以形成公里级长度光丝，光丝传输远达百公里时仍可保持恒定的高功率密度(10<supgt;13</supgt;‑10<supgt;15</supgt;W/cm<supgt;2</supgt;)，完成靶材表面的初步损伤；同时，高能连续激光传输同样距离后作用于靶材相同位置，实现超快激光/连续激光的复合作用，从而完成靶材的远距离、高效损伤。本发明利用高能超快激光的空间成丝与传输能力，可在传输远达百公里后实现对透明、高反类靶材的初步损伤以形成缺陷，显著提升材料对高能连续激光的吸收；并且，超快激光成丝同步激发的冲击波将会增强熔融材料的移除，因而复合激光持续性作用下将形成靶材的有效毁伤。
技术研发人员：贾贤石,林家威,李凯,王聪,段吉安
受保护的技术使用者：中南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5