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内容简介

　　《现代应用物理学丛书：激光等离子体推进技术》共分为四章，第一章针对激光等离子体推进领域的研究进展进行了全面阐述，特别是对激光等离子体推进技术的工作原理，工作模式，靶的设计，靶动量探测方法，各种能量吸收机制等进行了总结和探讨，第二章在对激光击穿大气产生的冲击波进行分析的基础上，对常见靶材产生的等离子体的冲量进行了实验测量和分析，重点研究了侧向约束与法线方向约束下等离子体的烧蚀特征，第三章以液体靶材为烧蚀对象，针对烧蚀过程中存在的溅射现象造成的推进比冲低的缺点，提出了通过提高液体的黏度系数来提高比冲的方法，并研究了液体黏性与溅射特征量之间的关系，第四章探讨飞秒脉冲激光在大气中的传输机制，特别是长距离等离子体通道内光丝的形成机理，并结合国内外飞秒激光在等离子体推进领域的研究情况，就不同靶材在飞秒激光烧蚀下的推进效果进行了探讨。

目录

前言
第一章 激光等离子体推进技术研究进展
1.1 激光等离子体推进技术
1.1.1 激光等离子体推进技术的工作原理和发展现状
1.1.2 激光推进的技术难点和研究热点
1.2 强激光与靶作用中的吸收机制
1.2.1 逆轫致吸收
1.2.2 共振吸收
1.2.3 真空加热
1.2.4 J×B加热机制
1.2.5 反常趋肤效应
1.3 激光等离子体微推进技术
1.3.1 特点
1.3.2 工作原理
1.3.3 工作模式
1.3.4 激光微推力器的设计
1.3.5 性能参数测量
1.3.6 靶材烧蚀性能及设计
1.3.7 关键技术
1.4 存在问题
参考文献

第二章 激光与固体靶相互作用
2.1 激光在空气中击穿后产生的冲击波微结构
2.1.1 实验装置
2.1.2 实验结果和分析
2.2 激光推进中的靶材
2.3 激光与固体靶的相互作用
2.3.1 实验装置
2.3.2 靶材对靶动量的影响
2.3.3 环境气压对靶动量的影响
2.3.4 靶材和环境气压对比冲的影响
2.4 聚酰亚胺薄膜的烧蚀推进特性
2.4.1 实验装置
2.4.2 实验结果和讨论
2.4.3 其他高分子材料的烧蚀推进
2.5 激光与靶相互作用中的约束烧蚀
2.5.1 等离子体的自由膨胀过程
2.5.2 侧向约束
2.5.3 法线方向的约束烧蚀
2.6 约束烧蚀中等离子体的时空演化
2.7 预脉冲对动量耦合系数的影响
参考文献

第三章 激光与液体相互作用
3.1 液体靶材的研究进展
3.1.1 体状液体靶研究
3.1.2 膜状液体靶研究
3.1.3 滴状液靶研究
3.1.4 高黏度液体靶材研究
3.2 激光在液体介质中引致的击穿现象
3.2.1 激光击穿阈值理论模型
3.2.2 击穿现象的判据
3.2.3 影响激光击穿阈值的因素
3.2.4 等离子体在液体中的膨胀和发光
3.2.5 气蚀空泡和液体射流现象
3.2.6 能量转化效率
3.2.7 存在的问题
3.3 等离子体推进中的水约束烧蚀
3.3.1 实验装置
3.3.2 结果及探讨
3.3.3 理论计算
3.4 透射式约束烧蚀推进
3.4.1 实验布局
3.4.2 实验结果和讨论
3.5 液体黏度系数对烧蚀特征的影响
3.5.1 耦合系数及比冲
3.5.2 发散角及烧蚀压
3.6 液体击穿中的声波测量
参考文献

第四章 飞秒激光等离子体推进
4.1 超短脉冲在大气中的传输
4.1.1 基本原理及传输机制
4.1.2 通道内的复合和辐射机制
4.1.3 锥角辐射的产生
4.1.4 超连续谱和白光
4.1.5 三次谐波的产生
4.1.6 太赫兹辐射
4.1.7 等离子体通道中的细丝
4.2 细丝的特征及分析
4.2.1 细丝的多次自聚焦现象及传输过程的优化
4.2.2 影响细丝形成和传输的几种因素
4.2.3 通道中光丝间相互作用的解释
4.3 等离子体通道的诊断方法
4.3.1 声学测量方法基本原理
4.3.2 应用测量
4.4 飞秒激光烧蚀推进研究进展
4.4.1 实验研究
4.4.2 实验结果和分析
4.5 飞秒激光的约束烧蚀
参考文献

精彩书摘

　　《现代应用物理学丛书：激光等离子体推进技术》：
　　第一章 激光等离子体推进技术研究进展
　　1.1激光等离子体推进技术
　　“你希望我们的孩子坐着激光束去太空旅行吗，”是著名学者Phipps在2004年国际激光束能量推进会议上提到的一句话，这句话以幽默的方式表达了人们对激光等离子体推进技术在航空航天领域应用的一种期待，同时表明了激光等离子体推进技术未来的发展目标，传统的化学燃料驱动火箭升空的技术由于其昂贵的发射费用，低的载荷比，复杂的发射操作运转模式，重复使用困难等缺点而一直困扰着人们对太空的进一步探索，但随着激光技术与航天技术的飞速发展，激光等离子体推进作为一种先进推进技术逐步呈现出其他推进技术不可比拟的优势和发展前景，本章首先对激光等离子体推进技术的工作原理，特点，研究现状，研究热点等问题进行总结介绍。
　　传统的飞行器及火箭的驱动都是通过化学燃料的燃烧来实现的，但是燃料本身所固有的一些特性如化学能，燃烧温度和效率等限制了飞行器在更为深远的星际航行中的应用，从地面发射飞行器至地球低轨轨道，费用大概是15000美元/千克，而发射至同步轨道则更贵，高昂的发射费用，进一步限制了更大规模的商业航天活动，要使单位质量的推进剂携带更多的能量，产生更大的推力，只有借助外部的能量注入[1]，在2002年的Applied Physics Letters上有一篇论文报道了用激光产生的等离子体驱动纸飞机模型的实验[2]，虽然采用的飞机模型的重量只有零点几克，没有真正的实用价值，但是它却对传统的化学燃料驱动技术提出了挑战，其实，早在1972年，美国学者Kantrowitz就首先提出了利用激光烧蚀产生的等离子体来代替化学燃料推进空间飞行器的设想[3]，图1.1为Kantrowitz本人照片及1972年的论文，在文章中他说：“这篇文章的目的是为了唤起人们对一种基于高功率激光推进系统的注意，众所周知，激光可以远距离烧蚀物体，当激光的强度足够高的时候，这种烧蚀可以非常迅速并产生以超音速喷射的气体，更高的激光功率可以使气体电离，产生非常高的比冲，而这种喷射气体将会产生化学火箭一样的推力”。
　　随后，其他发达国家如德国，前苏联，日本等也开始涉足这个领域，他们的主要目标就是大幅度减少在卫星发射方面的费用，美国近期的研究目标是驱动1千克的载重花费1000美元，并且对于激光驱动的发射费用，研究者们希望限定在100美元/千克的范围内，以便在将来的空间运输中发挥更重要的作用，利用激光等离子体来推进的微型飞行器，因为没有传统意义上的发动机，只配备观察和通讯装置，质量非常的轻，可以用于观察气候和火山，激光等离子体推进技术还可以将卫星直接发射进入近地轨道，将近地轨道卫星转移到地球同步轨道，维持卫星轨道参数和清除太空垃圾等应用，在航天运载火箭发射，卫星与飞行器空间机动等方面有着广泛的应用前景。
　　图1.1Kantrowitz A R的照片及1972年的文章
　　1.1.1激光等离子体推进技术的工作原理和发展现状
　　激光等离子体推进的基本原理同火箭发动机类似，都是利用反冲运动的原理来推动飞行器，不同之处在于激光等离子体推进使用的是激光束的能量来加热推进剂，而不是依靠推进剂自身的燃烧，这使得它能超越燃烧温度的限制，形成核心温度为10000~20000 K甚至更高的高温等离子体，这种高温高压的等离子体具有极强的做功能力，实验及理论分析表明，激光推进的比冲可以高于1000s[4]，这种高温高压的等离子体可利用地面上的激光装置经过长距离传输到火箭发动机中来完成，飞行器本身不需要携带过多的能源设备，而且激光等离子体推进这种技术无需传统化学推进中的大分子质量氧化剂，燃烧温度也能大大提高。
　　典型激光推进器的工作原理如图1.2所示，激光束经透镜聚焦到推进剂的后表面，然后产生高温高压的向后喷射的等离子体，利用等离子体的反作用力来推动飞行器前进，Myrabo[5]等人设计的激光推进飞行器的实物如图1.3所示，它的前端是碗状的轴对称抛物形反射镜，尾部是膨胀喷口，镜面反射由地面射来的激光束，并形成环状聚焦，尾部装置接收并聚焦激光脉冲，聚焦的激光束将击穿工作流体，形成迅速膨胀的热等离子体，利用等离子体膨胀的反作用力推动飞行器，它的推进剂既可以是气体，也可以是液体和固体。
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前言/序言

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