（等离子体物理专业论文）激光诱导水击穿阈值的数值分析.pdf

硕士论文 激光诱导水击穿的数值分析 摘要 本文针对激光诱导水击穿阈值的计算，从理论上研究了激光与液体物质相互作用过 程中的击穿模型，并建立了两种不同的计算模型，在此基础上对击穿辐射阈值做了理论 计算，对计算结果进行了分析及与前人的实验结果进行了比较。 根据对激光与液体介质相互作用引起光学击穿的机制的分析，在此基础上建立了一 级模型，得到了三种光学击穿阈值，并对实际阈值的确定进行了分析。同时在自由电子 速率方程的基础上建立了另一种模型，并根据多光子电离和雪崩电离的形成条件以及作 用对自由电子速率方程进行了适当的简化，然后通过自由电子密度速率方程的数值解的 计算来确定水的激光光学击穿阈值。对两种模型所计算出来的理论结果与实验所测得的 结果进行了比较，从而比较了两模型的优点与缺陷，同时发现其结果与波长为可见光和 近红外波段，脉宽为纳秒级、皮秒级和飞秒级的脉冲对水的击穿阈值的实验结果相当吻 厶 口0 将通过一级模型得到的理论计算结果与不同波段、不同脉宽的激光脉冲在纯净的水 和含有杂质的水中的实验测量的击穿阈值进行了比较，从而从理论和实验两方面对光致 水击穿的辐射阈值的脉宽依赖性、杂质依赖性和光斑尺寸依赖性进行了详细地讨论。 关键词：击穿阈值，脉冲宽度，水，杂质，光斑尺寸，雪崩电离，多光子电离 a b s t r a c t硕士论文 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , i no r d e rt oc a l c u l a t et h eb r e a k d o w nt h r e s h o l d s ，t h ep h y s i c a lm e c h a n i s mo f o p t i c a lb r e a k d o w ni n d u c e db yl a s e ri na q u e o u sm e d i a i sa n a l y z e da n dt w ob r e a k d o w nm o d e l s a r eb u i l t u s i n gt h e s em o d e l s ，t h eb r e a k d o w nt h r e s h o l d sa r ee a l c u l a t e di nt h e o r y b e s i d e s t h e s ev a l u e sa r ea n a l y z e da n dc o m p a r e dt ot h ee x p e r i m e n t a ld a t at h er e s e a r c h e r sh a v eg i v e n a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so ft h em e c h a n i s m so fl a s e ri n d u c e db r e a k d o w n ( l i b ) i n a q u e o u sl i q u i d s ，t h ef i r s t - o r d e rm o d e li se s t a b l i s h e d ，a n dt h e nt h r e ek i n d so fb r e a k d o w n t h r e s h o l d si so b t a i n e d i na d d i t i o n , t h es e l e c t i o no fp r a c t i c a lt h r e s h o l di sd i s c u s s e d a n o t h e r m o d e lb a s e do nt h er a t ee q u a t i o nf o r m a l i s mf o rf r e ee l e c t r o ng e n e r a t i o ni se s t a b l i s h e d a st h e f o r m a t i v ec o n d i t i o n so fm u l t i p h o t o ni o n i z a t i o na n da v a l a n c h ei o n i z a t i o n , t h er a t ee q u a t i o n f o r m a l i s mi s s i m p l i f i e dr e a s o n a b l ya n dt h e nt h eb r e a k d o w nt h r e s h o l d sa l eo b t a i n e db y c a l c u l a t i n gt h en u m e r i c a lv a l u eo ft h er a t ee q u a t i o nf o r m a l i s mo ff r e ee l e c t r o nd e n s i t y g e n e r a t i o n c o m p a r i n gt h e s er e s u l t sw i t l lt h ev a l u e sg a i n e dt h r o u g ht h ep r e v i o u se x p e r i m e n t s ， t h em e r i t sa n dd e f e c t so ft h et w om o d e l sa r ep r o p o s e d i na d d i t i o n , t h e s er e s u l t sa r e c o m p a r a t i v e l yc o r r e s p o n d e dw i t ht h em e a s u r e dt h r e s h o l df o rv i s i b l ea n d n e a r - i n f r a r e dp u l s e l i b 埘n ln a n o s e c o n d ，p i c o s e c o n da n df e m t o s e c o n dp u l s e w i d t h sr e g i m e s c o m p a r i n gt h ec a l c u l a t i n gv a l u e st h r o u g ht h ef i r s to r d e rm o d e l 、 ，i t ht h em e a s u r e d t h r e s h o l d s 、舫mv a r i o u sw a v e l e n g t h sa n dv a r i o u sp u l s e w i d t h sb o t l li np u r ea n di m p u r ew a t e r , p u l s e w i d t ha n di m p u r i t yd e p e n d e n c e ，w a v e l e n g t hd e p e n d e n c ea n dt h es p o ts i z ed e p e n d e n c eo f t h el i bt h r e s h o l da r ed i s c u s s e di nt h e o r ya n de x p e r i m e n t k e yw o r d s ：b r e a k d o w nt h r e s h o l d ，p u l s e w i d t h , w a t e r , i m p u r i t y , s p o ts i z e ，a v a l a n c h e i o n i z a t i o n ，m u l t i p h o t o ni o n i z a t i o n 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学 位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布 过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的 材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明 确的说明。 研究生签名：牛址 舳年钼扮e t 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上 网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权 其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文， 按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：l 趑一 山 o 年吾月h 日 硕士论文激光诱导水击穿的数值分析 1 绪论 1 1 研究背景 激光是一种具有高亮度的定向电磁波，并且其方向性好、单色性好、相干性好等等， 因而随着激光技术的发展，它越来越多地应用于工业、医疗、军事等各个领域。激光作 为一种有着良好的光学特性的光源和载体，可以直接地用于信息的测量、传播和获取【l 】。 当高功率激光与材料相互作用时，不仅取决于激光和材料各自的特性，还与外部环境有 关。材料在高功率激光的作用下，材料表面的物质迅速对激光能量进行吸收，从而材料 的温度迅速上升，直至达到气化温度。假如此时再持续对其进行加热，气化后的蒸气将 继续吸收激光的能量，材料温度得到了进一步地升高，从而产生了等离子体【2 1 。此时出 现的等离子体将极大地影响激光与物质材料的相互作用。 而激光与液体物质间的相互作用过程主要有三个方面：液体的光学击穿( 产生等离 子体) 、冲击波以及空化现象。图1 1 即为激光与液体介质间相互作用过程的示意刚引。 光了 焦点处物质的电离 空间局了焦点处 等离子体诱导蚀除 冲击波的形成卜空化_ 射流( 或逆射流) 的形成 波前处的高压力梯度蒸发致机械应力固体壁面的附近 以超声速溃灭期间 图l - l 激光与液态物质相互作用过程示意图 当激光束作用于物质材料时，首先将光能转换为物质中粒子的激发能，然后再转化 为热能、化学能或机械能等其他形式的能量。在这整个过程中，物质中分子的结构和物 质的形状都将以多种形式发生变化。等离子体技术现在广泛应用于诸多专业领域，尤其 在能源、物质材料、环境与宇宙大爆炸三大领域，而且变得越来越重要【1 , 2 , 4 】。 首先在能源领域，利用超高温等离子体的核聚变发电受到了广泛的瞩目。在不久的 将来，燃化资源不仅面临着枯竭，而且由其燃烧产物二氧化碳带来的全球温室效应 也不可忽视。另一方面，基于核裂变反应的核发电站也存在着各种问题，首先铀的储量 有限，其次其反应堆的安全问题和放射性废物的处理问题都还未得到根本解决。而由于 核聚变反应是以大量存在于海水中的氢的同位素作为燃料的，所以核聚变反应发电的实 现就可使人类掌握永久性的绿色能源。现在普遍采用的方法就是将氘和氚的混合气体电 离，加热到超高温，同时采用磁场约束。 其次，等离子体发光的应用包括有常见的荧光灯、霓虹灯等照明用的等离子体放电 及 裂眇平i破 膨 致 续 光 连 l 绪论硕士论文 管，气体激光以及等离子体显示等。如目前研究的热点：大画面和高清晰度。 在新材料及其加工领域，等离子体工艺( 或叫做等离子体加工) 的有关技术正在广 泛地被人们所利用。如用于喷涂、精炼、表面改性和生成微粒材料等等。另外，等离子 体化学活性的薄膜沉积与刻蚀也是微电子制造中必不可少的工艺。 最后，再把目光投向环境【5 j 和宇航领域1 6 7 j 。近年来，将等离子体技术应用在地球环 保方面的期待正日益提高。目前，通常的方法是选择大气压下的热等离子体利用电晕放 电等技术来研究如何解决各种环境问题：城市垃圾处理、排放的废气处理等等。在宇宙 领域，正在进行的是等离子体隐身和高功率等离子体填充真空器件两方面的研究工作。 与激光进行相互作用的物质材料可以是固体，气体或者液体。研究初期，由激光导 致的介质击穿主要集中在与气态和固态物质的相互作用的研究领域。到现在对该领域的 研究已有了较大的进展，其对应的理论及其体系也较为完整，并且激光导致等离子体产 生的物理过程在实际中也得到了广泛的应用，如：激光与气体及金属物质相互作用所产 生的等离子体可以作为高密度x 射线的产生源，激光在气体中引发的电子电荷适合于用 作快开关。随着击穿效应在激光医学中各方面得到越来越多的应用，人们开始将目光转 向于液态物质的光学击穿。特别是由于飞秒激光器的产生，它不仅大大拓展了短脉冲激 光的应用范围，并且进一步激起了人们对激光与物质相互作用的研究的兴趣。 1 2 研究意义 在最近几十年，激光致水击穿引起了生物物理，生物医学工程和医学领域的研究者 的兴趣。这些兴趣产生于眼组织的激光致液体击穿的可能性大, , j x t s , 9 1 ，在可见光和近红外 波段的超短脉冲的曝光下，受到透射的视网膜将会产生击穿。具有高峰值能量的纳秒级 和次纳秒级激光脉冲在眼睛的焦点处的辐照强度，该强度足够引起水击穿，即使脉冲能 量只有毫焦耳和微焦耳量级。 眼组织的光致击穿在激光医学和激光安全领域是一个重要的现象。在眼科学中，由 光致击穿产生的热等离子体可作为外科手术的工具来切割眼内膜【9 , 1 0 。眼科手术运用到 激光等离子体的程序包括：( 1 ) 通过刺穿虹膜来减小由青光眼造成的眼内压( 2 ) 切割 组成玻璃体的胶原纤维。在激光安全领域，眼内的光致击穿关心的是在纳秒和次纳秒级 脉冲的曝光下对眼睛组织的潜在损害。人们认为，具有毫焦耳能量的纳秒级的激光脉冲 导致的击穿是造成视网膜出血和灾难性的眼睛损伤的原因【1 1 】。 出于研究眼睛的潜在损害及医学应用的动机，为了理解和定量眼睛介质的光致击 穿，科学家们做了大量的研究。许多研究者利用q 开关和锁模n d ：y a g 激光器发射的 1 0 6 4 r i m 的激光来研究眼睛组织和水介质的击穿阈值。这项研究产生于q 开关n d ：y a g 激光器在眼科激光手术上的应用，并希望锁模脉冲能够在较低能量阈值和较小眼睛损伤 的情况下产生相同的外科效应。 2 硕士论文激光诱导水击穿的数值分析 最近，由于研究中对激光安全的考虑，对可见光和近红外超短脉冲系统的击穿阂值 的研究已经扩展到了飞秒级脉冲。除了阈值，击穿造成的生理影响也受到了高度重视。 详细的研究由等离子体特性，空穴，冲击波现象1 1 2 】组成。 该领域的大部分研究是用水和盐水溶液来做的，而不是使用眼睛体液。水，盐水， 玻璃体液的光致击穿实验表明水和水溶液是对眼睛玻璃体液的合理的模拟。由于水溶液 要比眼睛液体更容易得到和操作，所以想要解释和定量眼睛组织击穿的大多数的研究都 将目光转向于对水介质击穿的研究。 1 3 国内外激光等离子体理论和实验研究进展 目前，国内外对激光在固体，液体和气体物质中产生击穿的实验测量和理论模型已 经进行了大量的研究。其中对气体击穿和固体击穿现象已经进行了广泛地研究，相比之 下，尽管早在1 9 6 0 年就完成了一些关于水下激光等离子体和激光照相工艺效果的早期 工作，但是对液体光学击穿的研究和理解相对落后的。直到1 9 8 4 年是s h e n 在他的非线 性光学教科书中讨论光学击穿时才提出基于完全不了解液体击穿而忽略对它的讨论。然 而，最近几十年来，国内外产生了大量对液体击穿细节的研究，主要是对于眼组织周围 激光击穿的医学安全问题的研究。 等离子体是一种带电粒子与电磁场相耦合的多粒子体系。目前研究等离子体的方法 主要有三种【1 】： 第一种为连续性方法，这种方法是把等离子体作为连续的流体束来处理，在此基础 上研究它与电磁场间的相互作用，以及在电磁场作用下的运动规律。以磁流体动力学和 电流体动力学组成的八个方程为基础，根据给定的放入初始条件，对等离子体进行具体 的分析。该理论方法属于流体力学的一个分支，只采用宏观参量来描述等离子体的特性， 该方法主要应用在热离子体领域和磁流体动力发电方面。 第二种为“统计分析”法，即把等离子体体系当成是单个粒子的集合体，其运动结果 也就是集体行为。此时，该等离子体理论成为了动力学的一个分支，采用微观变量来描 述等离子体，其微观变量由在粒子分布函数上取统计平均来得到。 第三种是“黑匣子”法，这是应用于工业等离子体工程上最为广泛的一种方法。就是 不恰当地把等离子体当做只具有输入端和输出端的一个黑匣子，只需要通过调节输入端 的参量就能得到与等离子体相关过程所预期的输出。 在绝大多数情况下，等离子体是一个经典的、非相对论的体系，不需要考虑其量子 效应和相对论效应。描述等离子体的方法有粒子描述、动力学描述和磁流体力学描述三 种1 4 , 1 3 】。 1 粒子描述 等离子体的基本单元为带电粒子，所以可以通过考察带电粒子在电磁场中的运动情 3 1 绪论 硕士论文 况和相互作用来描述等离子体行为。采用牛顿方程 ，一一、 聊口帆西= q 口幢a + 吃b a 肛= 1 , 2 ，n ) ( 1 - 1 ) 及其初始条件来计算，其中的电磁场既包括外加电磁场，也包括由带电粒子的运动所产 生的电磁场。假如能够计算出每个带电粒子所产生的电荷和电流的话，就可以利用麦克 斯韦方程组来求出带电粒子的自生电磁场。这种方法在原则上可以用来处理多粒子相互 作用体系的运动，尽管要处理众多的自由度是一件十分困难的事情，但是伴随着粒子模 拟技术和高性能计算机的快速发展，这种描述方法正变得日益重要起来。 2 动力学描述 采用粒子分布函数的描述方法可以减少自由度。而粒子分布函数可以由波尔兹曼方 程求出： 忍乞a f + 哥v 无+ g 口刀l 口恒口+ 吃b 。j v ，兀= c 筇f r o ，厶) ( 1 - 2 ) 芦 人们将带电粒子的相互作用归结为近距离相互作用和远距离相互作用两种，其中又将远 距离相互作用归结为一等效外场。引入自洽场，即由等离子体运动所产生的又反过来影 响其运动的电磁场。将近距离相互作用以对方程式右边的碰撞项作不同的假设，从而形 成各种有用的简化模型。 3 磁流体力学描述 当运动的特征长度远远大于带电粒子的平均自由程，特征时间远远大于带电粒子的 平均碰撞时间时，可以将等离子体看成是磁流体。此时可以用密度、速度和温度等参量 来描述等离子体的运动，而这些宏观参量可以利用动力学方程的各阶矩方程来求得。 目前，主要采用以下几种描述等离子体的模型：基于流体力学方法建立的模型：基 于蒙特卡罗方法建立的粒子模型；基于气体动力学方法建立的模型及这几种方法的组合 模型。在数值模拟方面，对激光等离子体流场的数值模拟主要有解析计算法、有限元计 算法和有限差分法等等。 1 3 1 国内外在理论研究方面的情况 19 7 6 年m s p a r k s 1 4 】由热传导方程推导出了靶材表面的温度分布函数，并在其建立 的模型中考虑了等离子体对靶材表面温度的影响。1 9 9 6 年a d b o a r d m a n ”】等人在建立 模型时考虑到了激光等离子体的屏蔽效应。e e n i e l s e n 1 6 】等人在1 9 9 7 年从理论方面对高 能量的激光与物质发生能量耦合进行了研究。j a m e sg l u n n e y 1 7 】等人则于1 9 9 8 年建立 了能对激光加热引起靶材熔融的物理过程进行描述的数学模型。1 9 9 9 年g n e d o v e t s ”】等 人对金属蒸气与背景气体的混合物进行了研究，建立了基于流体力学方程之上的相关模 型，并且对两者的相互作用做了相关讨论。2 0 0 1 年，n m b u l g a k o v a 1 9 1 等在建立的流体 动力学模型中考虑到了等离子体对激光能量的吸收，以及对靶材的屏蔽作用。2 0 0 5 年 4 硕士论文激光诱导水击穿的数值分析 d u a n m i n gz h a n g 2 0 】等人又建立了一个新模型，他们不仅将激光与等离子体间的相互作用 及其等离子体的屏蔽作用考虑到其中，并且还加入了激光能量吸收的两种不同的机制， 即逆韧制辐射机制和多光子电离机制，证实了等离子体的屏蔽效应在激光熔融过程中起 着非常重要的作用。a n n e m i eb o g a e r t s1 2 1 】等人于2 0 0 3 年研究了纳秒量级的激光在低气 压下与铜靶材的相互作用过程，并对其建立了对应的理论模型，他们从s a h a 方程出发， 对等离子体的产生进行了描述，不仅对铜离子的温度、密度和速度等随时间的变化进行 了模拟；还对等离子体的屏蔽效应进行了模拟；2 0 0 5 年，该小组又得到了氦气在一个标 准大气压下对处于其中的铜靶材进行击穿的理论模型【2 2 1 。2 0 0 6 年b e n x i nw u 等人f 2 3 】讨 论了处于大气中的靶材由于吸热而产生的k n u d s e n 层中的大气和热蒸汽间的相互作用， 并建立了相关模型。 在国内，肖刚【2 4 】等人在1 9 9 7 年采用一维的单流体双温辐射的流体动力学模型，采 用数值模拟，对x e c l 准分子激光照射铝靶时气体等离子体的形成及其演化过程做了相 关研究。同年屠琴芬【2 5 1 等人采用的一维双温的单流体力学方程组模型，研究了纳秒级的 高强度脉冲激光与等离子体的耦合效应。1 9 9 8 年倪晓武【2 6 l 等人对具有轴对称的激光等 离子体流进行了数值计算，他们采用的是二阶精度迎风t v d 格式，从而获得了时间相 关解，并且该结果是与实验结果相一致的。钟志成【2 刀等人于2 0 0 1 年通过质量连续性方 程、能量守恒方程和动量守恒方程来研究了高能量的脉冲激光作用于块状靶材上时产生 的等离子体的物理特性，从而得出了等离子体密度、温度及其速度分布的迭代方程，并 利用计算机对其进行了数值模拟。2 0 0 2 年傅喜泉等人【2 8 j 对在诊断等离子体电子密度时 采用的折射率测量法进行了研究，并对其成立的条件和适用的范围进行了分析。2 0 0 5 年李明【2 9 】等人分析了短脉冲的激光致水击穿的机制，并通过对自由电子的速率方程数值 解的计算来确定了激光的击穿阈值，在此基础上还对等离子体中自由电子密度的演化、 等离子体的吸收系数及其能量密度进行了计算，而且所得到的结果与实验测量值是相当 符合的。 1 3 2 激光等离子体在实验研究方面情况 在近几十年的时间里，大批的国外科学工作者已经在高功率的激光与靶材相互作用 方面进行了大量的研究工作。c d a v i d 等人 3 0 】早在1 9 6 6 年在能量守恒和电子与光子相互 作用原理的基础上，不仅讨论了蒸汽的电离过程，并采用马赫一曾德尔干涉仪对由红宝 石调q 激光使得炭靶表面产生等离子体的现象进行了诊断，从而对激光等离子体进行了 全面研究。随后，在1 9 7 3 年k d i c k 等人【3 l j 对二氧化碳激光器照射铝靶所产生的等离子 体进行了诊断。a n p i r r i 等人【3 2 】于1 9 7 8 年对金属靶表面产生的等离子体的能量传递过 程进行了详细的研究。1 9 8 0 年，i u r s u 等人j 贝4 研究了激光光束的直径大小对等离子体 的屏蔽作用产生的影响。2 0 0 0 年y o s h i r oi t o 等人0 4 j 对激光照射铝靶材时的熔融过程进 l 绪论 硕士论文 行了研究。他们探测了在铝靶材中传播的声波信号，从而得到了等离子体的产生与激光 能量的关系；并且通过快速成像方法获得了铝靶材表面的变化情况。 近几年来，由于激光等离子体的研究重心开始从理论方面向应用方面转移，因此国 外针对机理方面的研究开始减少，而相对应的实验研究则开始增多，因而相应的实验技 术发展也非常迅速。 当然，也有很多国内的学者在高功率激光与靶材相互作用方面做了大量的研究工 作，1 9 9 5 年陆建等人【2 】对激光作用靶表面时等离子体的产生、发展机理以及等离子体的 屏蔽效应等都做了大量的理论分析和实验工作，并且对产生的激光等离子体的各项参数 进行了测量。王公堂等人1 3 5 】用由n d ：y a g 激光器产生的脉冲宽度大约为1 0 n s 的激光照 射处于大气中的铝靶，通过对其产生的等离子体发射光谱的研究。这个结果与由s m i t h 等提出的在空气击穿过程中，氮原子及氮分子要比氧原子及氧分子起着更重要的作用的 结论是完全符合的。2 0 0 0 年邹彪等人1 3 6 】将强激光照射铝靶，并测量了对在其相互作用 过程中产生的等离子体声波的相关物理量，发现其测量结果与采用其它方法得到的结果 是基本吻合的。2 0 0 1 年，丰善等人【3 刀采用脉冲激光对核聚变高温高稠度的等离子体进 行了诊断，从而发现了全新的诊断方法。同年，李玉同等人1 3 8 】通过采用飞秒激光探针的 方法，利用光学诊断技术对飞秒激光的等离子体膨胀过程进行了诊断，从而得到了等离 子体在不同时刻的干涉图和阴影图。随后，孙承伟等人【3 9 1 不仅对激光与等离子体的相互 作用进行了系统地描述，并且对等离子体的特性、产生及其实验和诊断技术做了介绍。 2 0 0 3 年，唐华、郭弘等人【加】对超短超强的激光脉冲在预等离子体隧道中传输过程中的 特性进行了研究。郝作强等人【4 l j 于2 0 0 5 年通过采用声学诊断的方法测量了超短强激光 脉冲在空气中传输时形成的等离子体通道，并且根据在通道内不同位置时的声音信号， 从而得到了通道长度以及通道内电子的密度等信息。2 0 0 7 年林兆祥等人1 4 2 】将n d - y a g 激光器产生的脉冲宽度为1 0 p s ，单脉冲能量约为5 0 0 m j 的激光作为探测光源，通过对 其聚焦形成了大气等离子体气体柱，并且分别测得了等离子体的电子温度及电子密度的 空间分布特性。同年，李静等人1 4 3 】利用激光烧蚀硬铝来得到了等离子体的状态参数和力 学参数，该实验通过对阈值附近的参量进行测量，从而得到功率密度和铝靶的冲量耦合 系数以及其与等离子体温度的关系，并从实验上得到了等离子体屏蔽与激光参量之间的 关系曲线。 对于光致水击穿现象的实验研究则开始于1 9 6 8 年。b a r n e s 首先在激光致水击穿的 实验中观察到了等离子体闪光现象。在这之后又有许多学者从实验方面大量研究了液体 中光致击穿的过程。 在实验过程中，判断激光致液体击穿是否产生的标准通常有两种：对于n s 和卵量 级的脉冲宽度的激光致水击穿是否发生以是否出现等离子体闪光现象作为标志的，而对 于短p s 和f s 级脉宽的激光来说，它是以是否产生空泡m 】作为判别依据的，因为此时在 6 硕士论文激光诱导水击穿的数值分析 超短脉冲激光发生击穿时的出现的闪光现象已经弱到无法用肉眼观察的程度。 要描述激光致液体击穿过程需包括液体击穿阈值、等离子体的密度和等离子体的吸 收系数等特性参量。根据前人所做的实验可以得到结论：随着照射激光的脉冲宽度( 用 f p 表示) 变窄，它所对应的激光辐射阈值玩会呈现出下降的趋势。当脉宽处于p s 或 1 1 $ 量级的时候，大量的实验结果表明两者的关系为：厶i 。 1 4 等离子体诊断技术 等离子体的参数包括等离子体折射率、等离子体温度、等离子体密度、电子密度、 压强和电离度1 2 】等等。这其中的每一个物理量都可以进行直接或间接的测量，并且这些 物理量都从某一方面反映了等离子体的性质。但是，在实验过程中不可能同时使用各种 方法对这些物理量进行一一地测量。我们总是从等离子体参量间的相互关系出发，先测 出其中的一种参量，进而测量出其他的参量。下面就是等离子体的几种诊断方法。 1 4 1 微波诊断技术 ( 1 ) 微波探针诊断技术 当电磁波在其传播过程中遇到等离子体的时候，就会发生像其他电介质一样的情 况，可能是允许电磁波在其中传播，也可能会使电磁波反射，再或者是两种情况兼而有 之。微波诊断技术m 】就利用了这种原理，即是一种根据电磁波被反射的情况及其传输特 性来对等离子体进行诊断的技术。由于电磁波通常是由天线发射出的一种针状的波束， 类似于插入于等离子体内的探针，因而我们称之为微波探针诊断技术。 ( b ) 图1 2 微波测试方法( a ) 传输( b ) 反射 这种方法虽有很多的不足之处，但是简单而且易行，诊断结果的物理意义非常清楚， 7 l 绪论硕士论文 因而是一种比较有用的诊断方法。 ( 2 ) 微波干涉技术 利用微波干涉法来测量等离子体对电磁波所引起的相位变化是等离子体微波诊断 技术中最有效的方法。从本质上来说测出来自任何源的两个相同频率的相关的信号e l 和 e ，间的相位差就是相位测量。假设将两个信号之一取作参考信号的话，另一个信号则成 为相位待测的被测信号。 其中采用的干涉技术又可分为外差式的干涉技术、扫频式的干涉技术、三角波调频 的微波干涉技术等等。 1 4 2 等离子体的微波腔诊断技术 采用谐振腔来诊断等离子体的方法是最早的等离子体诊断技术其中之一。由于腔中 的等离子体会引起微波腔的谐振频率和q 值的改变，且其谐振频率和q 值的改变不仅 与等离子体的体频率( 即等离子体的电子密度) 有关，还受到电子同其他等离子体间的 碰撞的频率y 的影响。腔的微扰理论就是该方法的基本理论依据，也正因为如此，这种 方法的在应用范围方面会受到某些限制，但它又是诊断等离子体的一种很重要的方法。 例如它在弹道靶的尾迹的诊断中就得到了很好的应用。其中：采用谐振腔诊断等离子体 的方法，目前采用的方式通常有开腔和闭腔两种。 1 4 3 等离子体的辐射诊断 从宏观尺度的空间和时间范围上看，等离子体都存在着数量大致保持不变的许多电 子以及各种离子。这些离子和电子都有着自己的行为及其行为规律。由于受到外加的磁 场以及其他粒子对其碰撞的影响，其中的电子的受力情况和能量状态就改变了。并且伴 随着电子的运动情况与能量状态的改变，将会辐射电磁波，这个辐射过程就是自生辐射； 除此之外，等离子体中还存在着各种热涨落的能量水平，但对于处于各种非热力学平衡 状态的等离子体来说，往往会有等离子体波的产生，它在与等离子体中处于非热平衡状 态的粒子的共振作用时得到能量，从而有可能从热涨落的能量水平迅速增长到能从等离 子体中辐射出来并能被观测到的能量水平，这种辐射为感生辐射。 对这些来自等离子体的电磁辐射进行研究的主要目的：首先是可以了解由等离子体 辐射而造成的等离子体的能量损失，这对研究磁约束聚变等离子体的能量输运过程来说 有非常重要的意义。其次是通过对电磁波的各种特征参数的测量就可以推断等离子体的 产生机理及其相互作用机理。最后还可以得到等离子体中电子和离子的温度、密度随空 间的分布，等离子体内部的磁场、电场和电流分布等参数及其时空分布 4 7 1 。 1 4 4 光谱诊断技术 对于静电探针方法和质谱方法来说，在等离子体空间中必须插入取样管或者探针， 8 硕士论文激光诱导水击穿的数值分析 这都会对等离子体产生干扰。在所有的诊断技术中，光学诊断技术不仅仅得到的信息是 最丰富的，而且由于光学诊断技术操作简单、准确度和灵敏度高、且不会对等离子体产 生干扰而得到了广泛应用。对于低温等离子体工艺参数原位诊断的研究，最合适的方法 是光学探测方法，它多数情况是在低气压的辉光放电的条件下进行的。由于辉光放电本 身就能发出很强的光，因而该方法比较适用在等离子体工艺研究中。同时，它不需要在 等离子体中插入探针等，对成份具有选择性，而且能同时得到等离子体内部发生变化的 时间和空间分辨方面的信息。因而它在研究等离子体工艺的机理、测试等离子体参数的 变化等工作起到很好的作用。 目前，光谱诊断技术【4 8 】包括有吸收光谱的测量技术和发光光谱的测量技术，其中吸 收光谱的测量技术又可分为红外吸收光谱的测量技术和紫外、可见光谱的测量技术。 1 4 5 激光诊断技术 激光技术的迅猛发展，使得等离子体的诊断工作获得了一种理想的探针。由于激光 辐射能够产生在时间和空间上都十分集中的能量流密度，这种能量流密度是很大的；而 且激光辐射单色性和相干性都非常好，它的频率范围属于宽广频区，可以包括从紫外到 远红外，并且某些还属于可调谐的激光器。因为具有这些特点，激光就可以作为一种非 常强而有力的等离子体探针。在等离子体诊断实验中，可以利用它来对不同的等离子体 及其各自的各种参数( 离子和电子的密度、温度等) 进行测量，同时这种方法的空间和 时间分辨能力都十分好【4 9 l ，并且也不会严重干扰所要研究的等离子体。因而，各种以激 光作为等离子体探针的诊断方法在有关等离子体的实验研究中已经获得了极其广泛的 应用，已经成为等离子体实验的一种重要工具。 一般来说，以激光作为探针来探测等离子体的方法是多种多样的，但主要包括以下 三个方面： ( 1 ) 激光散射，这在激光诊断技术中是一种最成功的探测方法，其中利用短波的激光 散射的方法可以对等离子体的电子密度、温度、离子密度等参数的时间以及空间分布进 行测量；通过长波的激光散射可以对等离子体中的离子的温度以及等离子体的某些集体 效应进行测量，如喇曼散射。( 2 ) 荧光共振散射测量，通过这种方法可以对处于等离子 体外围的杂质成分的分布进行测量。( 3 ) 激光干涉，由于激光有很好的相干性，所以把 激光器作为光源时，可以产生一种非常理想的相干光，它极大地发展了干涉测量的技术。 1 4 6 朗缪尔探针诊断技术 1 9 2 4 年，由朗缪尔等人提出的静电探针又可以称之为朗缪尔探针，在对等离子体参 量进行测量的工作中，它已经成为了一种重要工具。它的优点在于设备比较简单、还可 以测出等离子体分布等等。但是这种方法的理论是相当复杂的，不过当条件简单的时候， 还是能简要地对静电探针的伏安特性曲线进行解释，从而得出等离子体中电子的密度、 9 l 绪论硕士论文 温度等参数【5 0 】；而且它的结构非常简单，空间分辨能力也比较好。因而它在研究低温等 离子体方面，已经成为一种不可缺少的诊断手段。 该方法主要是在等离子体中插入小的金属导体，根据它的伏安特性对等离子体的电 子的密度、离子的密度、温度等参数进行测量。根据所采用的不同放电方式，有单探针、 双探针技术和热电子发射探针。 1 5 本章小结 本章从研究背景、研究意义、国内外研究现状以及等离子的诊断技术方面对激光与 物质相互作用进行了介绍。激光与固体、气体物质相互作用至今都已得到了广泛的研究， 其技术也得到了长足发展，但是对于激光与液体物质相互作用的研究来说，不管是在理 论还是在实验研究上都不成熟，因此有必要对激光与液体相互作用进行进一步地研究。 1 0 硕士论文激光诱导水击穿的数值分析 2 液体介质击穿的基础理论 2 1 介质击穿机制的种类 介质击穿是固体、液体或气体物质通过吸收热能或者电磁能产生部分或完全的电离 【5 1 】。离化的结果是产生了带电粒子，即组成物质第四态【5 2 j 的等离子体。等离子体的产生 机制p 3 j 有两种：热击穿和静电击穿。在热击穿中，如发生在太阳中，上千开尔文或上百 万开尔文的高温使得普通物质融化、蒸发直至碰撞离化。1 9 6 0 年过后，强电磁场和激光 创立了等离子体产生的第三种机制：激光辐射光学吸收的电介质击穿。 光致击穿产生等离子体的形式有两种：激光致热击穿和光学击穿。当连续波或高功 率的重复脉冲激光源的长时间曝光时将产生激光致热击穿，它主要发生在具有相当高的 线性吸收系数的不透明介质中。光学击穿主要发生在微妙到飞秒量级的短脉冲曝光下， 该短脉冲相互作用时间不允许通过线性吸收或直接吸热来产生击穿 5 4 1 。在这种情况下， 高峰值能量和短脉冲的辐射特性通过多光子吸收来产生等离子体。对于高能量的激光在 透明介质中传输时，光学击穿是其主要的吸收和损害机制。 需要指出的是，除击穿之外，激光加热也能产生有意义的重要的技术效应。已经成 为工业材料处理中重要工具的激光切割和热处理没有使用等离子体，取而代之的是融化 的表面蒸汽。多种脉冲激光烧蚀也可用作外科手术上的一种切割工具。 2 2 光致击穿的两种机制 目前，激光致水击穿主要有两种机制：通过多光子吸收引起的介质的直接离化或者 雪崩电离。多光子电离和雪崩电离都能在固体、气体或液体中发生。但是，相对于固体 或液体中的等离子体来说，在气体等离子体中自由电子并不是真正存在的。在浓缩介质 中是有受到分子或位置束缚的电子和准自由电子。它们的动能足够使得在液体或固体中 移动而不会被固定在势阱中。在浓缩介质击穿中，束缚状态和准自由状态之间的转换与 气体中分子离化是等价的。 2 2 1 雪崩电离机制 雪崩电离产生的击穿有两个步骤：( 1 ) 雪崩初期种子电子的产生( 2 ) 高自由电子 密度使得雪崩建立。雪崩过程初期需要脉冲前沿在焦点区域内有一个或更多的自由电 子。在含杂质的介质中，这些“种子”电子大多数来源于杂质的热激发，在纯介质中，种 子电子必须由介质中一些分子的多光子吸收来产生电离。 对于纯介质中多光子激发的雪崩击穿来说，高能量辐射是必需的。因而，对于某些 含杂质的介质来说，在某些特定的脉宽和波长下，由杂质贡献的种子电子能显著地降低 l l 2 激光诱导液体击穿的基础理论 硕士论文 雪崩击穿阈值。对于水介质来说，和杂质激发相反，当脉冲宽度在纳秒量级及以上的量 级时，由于多光子激发，其击穿阈值将显著地提高。理论计算【5 5 , 5 6 表明，不管是纯净的 水介质还是掺有杂质的水介质，在较短脉宽时，多光子激发将占主要地位。这就导致了 在实验测量阈值时出现杂质依赖性的消失【5 6 】的现象。 当种子电子在与重粒子( 分子或离子) 的碰撞过程中，雪崩过程的建立就开始了。 这个过程就为逆轫致辐射吸收【5 7 1 。一个自由电子吸收一个光子时，这种重粒子的碰撞必 须要满足能量和动量守恒。当获得的能量高于离化势能时，一个自由电子就可能通过碰 撞来离化一个束缚电子，从而产生了两个具有较低能量的自由电子，重复这个过程将使 自由电子数目呈指数增长，这就是雪崩电离，直至击穿的产生。由雪崩电离产生的光致 击穿在本质上与微波击穿是一致的。在这两种击穿过程中，逆轫致辐射都提供了电子雪 崩产生所需的能量。这与静电击穿相似却又有所区别。静电击穿电子雪崩的能量是来自 于静电场电子的线性加速。 由于各种各样的损耗，雪崩过程的建立将会减慢或停止。为了能产生击穿，在焦点 区域的辐射度必须足够强且必须吸收足够的能量来克服这些损耗。电子能量通过逆轫致 辐射吸收增加的速度必须高于由于非弹性碰撞而导致的电子能量的损耗率。同样地，电 离速度必须超过由于电子离子复合和扩散产生的损耗。因此，能量的增加率是与辐照度 成比例的，但损耗过程不一样，由于雪崩击穿而存在一个辐射阂值。 2 2 2 多光子电离机制 多光子击穿相对于雪崩击穿来说是一个较为简单的过程，因为不仅不需要初始电 子，并且击穿过程发生得很迅速以至于可以忽略损耗。对于只存在多光子电离的击穿来 说，是不需要种子电子的碰撞以及粒子间相互作用的。每个电子通过从场中同时吸收大 量的光子而单独地离化，因此该击穿过程不依赖于杂质，甚至在脉冲持续期间，即使是 不存在许多碰撞的介质也能被击穿。 多光子电离是一个非线性光学过程。它只有在高辐射度时才变得显著，并且此时多 光子击穿的辐射阈值明显地高于雪崩击穿的辐射阈值。因此，到目前为止，在这两种击 穿机制中，雪崩电离是最普遍的。对于长脉冲和连续波，在浓缩介质和稠密气体中，雪 崩电离在击穿过程中占主要地位。 2 3 液体的光致击穿 对于激光在固体，液体和气体中致击穿的实验测量和理论模型，已经有了大量的研 究。气体击穿和固体击穿已经被广泛地研究，相比之下，尽管关于水下激光等离子体和 激光照相工艺的效果的一些早期工作早在1 9 6 0 年就已完成了，但对液体下的激光击穿 的研究和理解相对落后。直到1 9 8 4 年s h e n 才在其非线性光学的教科书中讨论光学击穿 1 2 硕士论文 激光诱导水击穿的数值分析 时提出基于完全不了解液体击穿而忽略对它的讨论。然而，最近几十年以来，产生了大 量关于液体击穿的细节研究，主要是由于眼组织周围激光击穿的医学安全问题的研究。 2 3 1 液体中光学击穿模型的进展 雪崩电离和多光子电离穿过击穿区域依赖于光束辐照度( 每单位时间单位面积的能 量) 。该激光击穿所需的辐照阈值是介质特性( 离化能和不纯度) 和光束特性( 波长， 脉宽和焦点处的光束直径) 的共同结果。阂值的测量值是任何激光致击穿的实验性描述 的第一步。同样地，对击穿阈值的理论计算是任何理论模型的主要目标。虽然大多数复 杂的模型，如那些基于波尔兹曼方程或非线性薛定谔方程联结的一个等离子体速率方 程，也是根据空间和时间来计算等离子体密度的。 为数众多的研究者对气体和固体的击穿建立了雪崩电离和多光子电离模型，并得到 了与实验数据相匹配的合理的计算结果。许多实验研究已经对水下激光击穿进行了调查 和量化。然而，水下激光击穿的理论模型只在这些研究中扮演了非常有限的角色。因此， 在理论方面，对水下击穿的研究并没有固体和气体击穿研究地透彻。 对于等离子体的形成以及水下击穿阂值的详细计算是困难的，其主要原因在于液态 水是一种非常复杂的介质，尽管经过了数十年的研究，但是它的结构和物理特性仍未得 到完全的理解。对于有着优良特性的固体，如硅材料，其激光击穿的电子能量分布和能 量依赖，电子散射率已采用实验方法得到了确定，在理论上也通过福克一普朗克方程建 立模型得到了详细的解决方法。但是对于电子散射率的详细的知识却不适用于水下激光 击穿。计算受到d r u d e 模型的限制，该模型是福克一普朗克方程的近似形式，从本质上 来说，该方程就是一个假定所有的自由电子都有单一的共同的散射速率的速率方程。 基于以上提到的困难，几乎很少有人能通过建立一个普遍适用于所有情况的一般的 理论模型来计算水下击穿的阈值。反而是水下击穿的实验数据与简单的形式，如：“幸 运电子模型相吻合。首先由肖克利从半导体的静电击穿中提出，后由b a s s 和b a r r e t t 应用于激光致固体雪崩击穿中。这个步骤对水下激光击穿的研究起了启发性的作用。它 首次证明了液体介质的由纳秒和皮秒级的激光脉冲导致的雪崩离化机制和在同样数量 级脉冲宽度下的固体击穿机制是相同的。但不幸的是这种形式无法用来独立地计算击穿 阈值。因为它包含的参量，比如自由电子在获得足够能量去离化束缚电子之前所需的碰 撞次数，虽然是能通过实验数据来估计的，但一般是很难决定的。无论如何，这种模型 既无法应用于多光子击穿，也无法应用于没有指出多光子和杂质的影响情况下的雪崩击 穿。 k e n n e d y s s 】的工作指出简单的一级模型在计算水下击穿的雪崩电离和多光子电离机 制的阈值方面占了统治地位。采用这种模型计算出来的理论