封面 | 原位观测技术：揭开激光烧蚀的“神秘面纱”

封面 | 马特, 王江涛, 袁武, 宋宏伟, 王睿星. 基于高温原位观测的高速风洞内强激光诱导的瞬态破坏行为研究[J]. 中国激光, 2023, 50(16): 1602201.

封面解读 

 

封面展示了超声速来流条件下激光诱导瞬态破坏形貌的高精度原位观测原理。测量机器人带有激光辅助照明系统和特制光学系统，其发出的补充光源可避免高能连续激光辐照面高温辐射导致的图像过度曝光问题，通过获得高速风洞内激光诱导的瞬态烧蚀形貌，利用光流法可分析典型材料的烧蚀特征。高精度原位测量技术为极端复杂环境下的激光破坏机理研究提供了实验数据支撑，可应用于高温环境下烧蚀/损伤形貌的精细观测。

 

在高速风洞内开展激光破坏实验，是高速目标激光破坏机理研究的一种重要手段。开展此实验不仅需要同时具备高速风洞与高能激光的实验装备条件，还要在实验过程中获取足够充分的多物理场动态信息。

激光辐照面的损伤演化原位观测是其中的一个关键技术。在强激光辐照下，靶材表面迅速升温并形成高温强辐射，加之激光辐射以及高速风洞环境干扰等因素，激光辐照面的瞬态烧蚀行为被直接观测的难度极大，目前还未有实质性进展。

目前常用的分析方法是在实验结束后对靶材进行测量，获取最终的烧蚀形貌、烧蚀深度或平均质量烧蚀速率等数据，利用扫描电镜观察材料表面显微组织特征，采用能谱分析对材料表面化学成分进行定性和半定量的分析，或用X射线衍射对材料的相组成进行定性分析，据此推测出研究对象的激光烧蚀机理。

然而上述方法无法为激光破坏机理研究提供实时、可靠、直接的实验数据。如何揭开高能激光辐照面损伤演化过程的神秘“面纱”，是激光破坏效应研究领域亟需解决的难题。

针对激光破坏效应研究领域的应用需求，中国科学院力学研究所宋宏伟研究员团队提出了一种适用于获取激光诱导极端高温下材料烧蚀形貌的原位观测技术，获得了典型金属材料和复合材料在超声速切向气流条件下的瞬时烧蚀行为。清晰的瞬时烧蚀图像及相关图像处理为理解复杂的激光烧蚀机理提供了更加直观的支撑性数据。

通过光流法可以准确分析金属材料熔融尾迹区域的形成过程，即利用序列图像灰度随时间的变化来确定物体结构及其运动关系。图1（a）显示了钛合金尾迹区从燕尾状转变为羽翼状的过程。图1（b）可分析出复合材料的瞬时烧蚀行为：在激光能量持续输入与切向气流引起的机械剥蚀效应的耦合作用下，平纹编织碳纤维增强碳化硅陶瓷基（2D C/SiC）复合材料的碳纤维层开始出现明显的逐层剥离，并且剥蚀形貌以片状剥蚀为主。

图1 典型材料的瞬时烧蚀行为。（a）钛合金；（b）2D C/SiC

图2是碳纤维增强环氧树脂基（CFRP）复合材料在不同激光功率与超声速切向气流条件下的动态烧蚀形貌。裸露纤维铺层角度的变化说明了 CFRP 复合材料的烧蚀深度在逐渐变化。

以纤维作为参考粒子，基于粒子图像测速法获得了CFRP的瞬时烧蚀深度，计算结果如图3所示。图3（a）中的速度矢量云图代表了不同铺设角度下纤维的运动方向，当速度矢量方向发生变化时，即认为 CFRP 复合材料中的单层材料已经完全烧蚀，此时记录一次烧蚀深度，从而获得瞬时烧蚀深度。

不同于实验后测量获得的线性平均烧蚀速率，基于上述方法获得的瞬时烧蚀深度呈明显的非线性行为。由图3（b）所示的瞬时烧蚀深度可知，复合材料在超声速切向气流下的激光烧蚀深度与激光功率密度、来流速度均相关。

团队后续将提高原位观测技术的测量精度，利用数据分析法获取微观尺度下的激光破坏行为，结合其他多物理场原位测量技术，为进一步理解高速来流条件下的激光破坏机理提供基础性支撑。

中国科学院力学研究所宋宏伟研究员课题组，面向国家重大需求，长期从事强激光诱导的多场耦合破坏效应、轻质热防护材料与结构、结构健康监测及可靠性、物理AI辅助的多功能一体化结构设计等方面的研究，具备先进的激光破坏效应与多物理场测量实验平台、航天力学环境与可靠性实验平台。团队现有研究员2名，副研究员3名、助理研究员2名，在读研究生10余名。近5年来在国内外重要期刊发表学术论文100余篇，授权国家发明专利20余项，软件登记4项。

宋宏伟，研究员、博士生导师。中国科学院力学所“热结构耦合力学”学术带头人，主要从事激光诱导的多场耦合破坏效应、多功能一体化热防护结构等研究工作，主持国家自然科学基金等重要科研项目二十余项。曾荣获力学学会科技进步二等奖（2022）、中国科学院杰出科技成就奖励（2021）、中国科学院卢嘉锡青年人才奖励（2008）。