[发明专利]一种利用激光烧蚀等离子体发射光谱信息判定烧蚀冲量的方法及装置

说明书

本发明公开了一种利用激光烧蚀等离子体发射光谱信息判定烧蚀冲量的方法及装置：该方法包括：①构建基于扭摆冲量测量装置和等离子体发射光谱测量装置；②获取扭摆系统振动角度；③计算激光烧蚀安装于靶材上的冲量；④获得等离子体光谱信息；⑤计算激光烧蚀产生的激光烧蚀等离子体电子数密度大小；⑥获得某一激光能量密度下的冲量大小。该装置包括用于测量激光烧蚀产生的冲量的扭摆冲量测量装置和等离子体发射光谱测量装置。本发明可避免扭摆法测量时环境干扰的影响，通过等离子体发射光谱测量装置判定激光烧蚀冲量大小。

技术领域

本发明涉及一种利用激光烧蚀等离子体发射光谱信息判定激光烧蚀冲量的方法及其装置，属于激光烧蚀推进领域，国际分类号：G06F30/25；G06F119/14。

背景技术

激光烧蚀冲量属于激光推进技术中“烧蚀模式”的一种，是利用激光与物质相互作用产生的烧蚀产物喷射形成的反作用力为基本原理。在激光烧蚀靶材过程中，主要的物理过程有靶材的受热升温、熔融气化、激光强度足够强时产生等离子体，以及高温气体或等离子体高速喷射产生推力等阶段。激光烧蚀冲量与其他推进方式相比，最本质的区别在于激光能量与靶材相分离，可远距离作用；根据靶材材料的不同，通过改变激光能量，可实现激光烧蚀冲量大小的调节；由于采用的是脉冲激光，因此冲量较小。具体来讲，激光烧蚀冲量技术利用固体激光器作为能量源，激光能量源发射的是脉冲激光，激光脉冲脉宽一般在毫秒量级以下，发射的激光通过整形聚焦于靶材表面，通过激光与物质的相互作用，形成烧蚀产物的喷射，产生冲量耦合，形成推力。

通常，基于扭摆法的激光烧蚀冲量测量是通过构建扭摆系统，将激光烧蚀产生的冲量转化为扭摆的扭转角度，基于动量矩定理计算冲量大小，该方法是利用动力学结构进行测量。在测量过程中，需要在每次测量前，对扭摆系统进行系统参数标定；此外，由于激光烧蚀产生的冲量较小，一般在微牛秒量级，因此还需要保证测量环境振动干扰较小，否则将会极大干扰扭摆法的测量精度。如何便捷、有效、快速地判定激光烧蚀产生的冲量大小是亟待解决的技术问题。

中国专利申请CN112541295A公开了一种厘米级空间碎片激光烧蚀冲量和冲量矩的计算方法。方法首先在静止坐标系下，计算空间碎片激光烧蚀力和激光烧蚀力矩，然后在体固联坐标系下，计算空间碎片单位质量激光烧蚀冲量与单脉冲激光烧蚀冲量矩，最后在径向横向坐标系下，计算空间碎片单位质量激光烧蚀冲量。本发明采用体固联坐标系相对于零时刻径向横向坐标系的欧拉角表示姿态运动，能够反映碎片姿态运动对碎片轨道运动的影响。本发明在静止坐标系中计算激光烧蚀力和激光烧蚀力矩，进一步考虑了碎片的空间方位，再在体固联坐标系中计算激光烧蚀力和激光烧蚀力矩，准确反映了激光烧蚀力和激光烧蚀力矩随着激光辐照方向矢量和碎片姿态运动的变化。

该发明专利给出了一种激光烧蚀厘米级空间碎片产生的冲量和冲量矩的计算方法，主要是基于面积矩阵法，通过对激光烧蚀面积范围内的冲量进行曲面积分来计算激光烧蚀产生的冲量及冲量矩。该专利没有利用激光烧蚀等离子体羽流光谱信息，直接基于面积矩阵法判定激光烧蚀冲量。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中存在的激光烧蚀冲量测量复杂，没有充分利用激光烧蚀等离子体光谱信息的不足，而提供了一种利用激光烧蚀等离子体发射光谱信息判定激光烧蚀冲量的方法及其装置，该方法提供了一种利用激光烧蚀等离子体发射光谱信息判定激光烧蚀冲量的方法，该方法通过等离子体发射光谱测量等离子体中电子数密度，建立电子数密度与激光烧蚀产生的冲量大小之间的定标关系，从而建立一种简单、快捷、方便地激光烧蚀冲量大小判定方法。

本发明的技术方案：

一种利用激光烧蚀等离子体发射光谱信息判定烧蚀冲量的方法，该方法包括以下步骤：

步骤一：构建基于扭摆冲量测量装置和等离子体发射光谱测量装置；

步骤二：激光烧蚀安装于扭摆上的靶材，激光烧蚀靶材产生的等离子体羽流作用于所述的扭摆冲量测量装置，进而使得扭摆冲量测量装置产生振动，从而获取扭摆系统振动角度；