激光烧蚀相关研究

精品文档 1欢迎下载 单位代码 10476 学号 1202180110 分类号 TN249 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 激光在不同环境下烧蚀铝靶冲量耦合系数研究激光在不同环境下烧蚀铝靶冲量耦合系数研究 学科 专业 光学工程 研究方向 激光应用 申请学位类别 工学硕士 申请人 郭荣基 指导教师 彭玉峰 教授 二 一五年五月 STUDYSTUDY OFOF THETHE IMPULSEIMPULSE COUPLINGCOUPLING COEFFICIENTCOEFFICIENT ININ LASERLASER ABLATIONABLATION OFOF ALUMINUMALUMINUM ATAT DIFFERENTDIFFERENT ENVIRONMENTENVIRONMENT A Dissertation Submitted to the Graduate School of Henan Normal University in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of Engineering Science By Guo RongJi Supervisor Prof Peng Yufeng May 2015 精品文档 3欢迎下载 精品文档 I欢迎下载 摘摘 要要 高能聚焦激光和固体金属铝靶作用 通过烧蚀固体靶材产生等离子体 会使靶材 料获得一定动量 在不同的环境条件下 通过实验研究激光能量密度和靶材料的冲量 耦合系数关系 可以分析环境条件对激光烧蚀靶材冲量耦合系数的影响 在气体环境 和液体环境中 激光烧蚀靶材料会呈现不同规律 本文先从理论上研究了不同环境下激光和靶材作用 对空气和液体中冲击波行为 进行模型分析 接着实验测量不同条件下的激光烧蚀铝靶冲量耦合系数 实验测量方 法为压电传感器测量 传感器为自主设计的铝质探头 实验分别在气体环境和液体环 境两种不同条件下进行 在气体环境下 研究内容有 1 研究标准气压下铝靶冲量 耦合系数和激光能量密度关系 2 改变气压 测量相同能量密度下激光冲量耦合系 数 研究气压对烧蚀铝靶的影响 3 改变激光能量密度 研究激光能量密度对烧蚀 铝靶面半径的影响 在液体环境条件下 主要研究内容有 4 水层厚度一定时 研 究激光能量密度对铝靶冲量耦合系数的影响 5 研究激光在液体中聚焦位置对铝靶 冲量耦合系数的影响 6 变换不同液体介质 研究液体介质性质对铝靶冲量耦合系 数影响 实验结果表明 气体环境中激光烧蚀铝靶 在改变激光能量密度时 铝靶冲量耦 合系数大小会受到激光烧蚀铝靶的速率及等离子冲击波压强的影响 并且存在烧蚀阈 值时也会影响冲量耦合系数的数值 液体环境中激光烧蚀铝靶 铝靶冲量耦合系数随 激光能量密度变化趋势和空气中近似 但是液体环境中冲量耦合系数要明显高于空气 中 实验发现在液体水柱中 聚焦位置距离靶面越远 铝靶冲量耦合系数越小 同时 靶前靶后聚焦效果不同 最后实验还发现 在一定条件下 密度大的液体介质冲量耦 合系数大 并且冲量耦合系数还和电离程度的难易有关 关关键键词词 环境条件 激光烧蚀 激光能量密度 铝靶冲量耦合系数 II 精品文档 III欢迎下载 ABSRTACT High energy impulse laser irradiation of solid metal target can make the target get a certain momentum By studying the relationship between laser energy density and impulse coupling coefficient of target the influence of environmental conditions on the impulse coupling coefficient can be analyzed Laser ablation of target can present differently in gas and liquid Firstly the interaction between laser and target under different conditions was theoretically studied in this paper and then the shock wave model in gas and liquid was analyzed Then the impulse coupling coefficient of aluminum target was measured The measurement of this experiment is by using piezoelectric sensor which was designed dependently with the material of aluminum Experiments were undertook separately in both gas and liquid In a gas environment the research content are as follows 1 Under the standard air pressure the relationship between laser energy density and the impulse coupling coefficient of aluminum target was researched 2 Changing air pressure the impulse coupling coefficient of aluminum target was measured under the same energy density then the effect of air pressure on the aluminum target s ablation was studied 3 When the laser energy density was changed the effects on the radius of ablation aluminum target was studied In the liquid the main researches include as follows 4 The relationship between laser energy density IV and the impulse coupling coefficient of aluminum target was researched under a certain layer thickness of water 5 The influence of laser focus position in the water on the impulse coupling coefficient of aluminum target was studied 6 The effect of different liquid s characteristics on the impulse coupling coefficient of aluminum target was analyzed The experiment results show that When the ablation of aluminum target occurs under the condition of gas the ablation rate and the laser plasma shock wave pressure may have influence on the impulse coupling coefficient of aluminum target in different laser energy density at the same time the ablation threshold would affect the value of the impulse coupling coefficient When ablation of aluminum is in liquid the trend of laser ablation variation under different energy density is closed to the trend in gas but the value of the impulse coupling coefficient in liquid is greatly higher than in the air It was found that the farther focus distance from target surface the smaller value of the impulse coupling coefficient in liquid and the result may vary differently before target and behind target At last the experiment also found that the density and the ionization degree of liquid may influence the result When the density and the ionization degree of liquid is big the value of the impulse coupling coefficient is big Keywords Keywords environmental conditions laser ablation the energy density of laser the impulse coupling coefficient of aluminum target 精品文档 V欢迎下载 精品文档 1欢迎下载 第一章第一章 绪绪 论论 1 11 1 前言前言 自从激光器问世以来 人们就不断对激光和物质相互作用进行研究 激光作为一 种强的电磁波和物质作用 服从经典的电磁场理论 同时也涉及量子领域 激光能作 用的物质很广泛 从固体物质到液态介质 再到气体物质等 并且它以其光强大 单 色性好 准直性好等优点在激光应用中得到推广 其中 激光在航天烧蚀推进 1 5 和液 体环境下烧蚀材料 6 9 等方面的研究取很大的进展 激光在烧蚀方面的应用 主要利用聚焦产生高能量密度的激光来使靶材料受热 气化 蒸发 达到烧蚀材料目的 对于烧蚀推进 主要利用激光烧蚀靶材料产生等离 子体冲击压来使靶获得动量 一般人们用烧蚀材料比冲和冲量耦合系数等参数来衡量 烧蚀效率 比冲为消耗单位质量工质产生的推力 冲量耦合系数为消耗单位能量所产 生的动量 激光和传统的燃料推进相比优点是具有较高的比冲 同时具有较大的冲量 耦合系数 并且能量造价低 10 其缺点是可提供的激光器能量有限 无法满足长距离 推进需要 一些材料抗烧蚀能力差 因此不能取代现有的火箭推进 对于激光烧蚀推进的发展历史可以追踪到二十世纪三十年代 俄罗斯航天先驱 Fridrikh Tsander 和德国 Hermann Oberth 分别提出了光压推进的思想 直到 1960 年 德国科学家 Eugen Sanger 提出用泵浦固体激光器产生推进所需的辐射压力 Myrabo Leik N 于 1998 年进行了太空推进实验 11 从室外地面用激光推进飞行器到空中 对 飞行高度进行测试研究 2000 年 美国用高功率 CO2激光器驱动光帆在 Wright Patterson 空军基地进行实验测量 在同一年 Bohn Willy L 研究了测试了一激光飞 行器 12 2002 年 Yabe Takashi 也进行了激光推进实验 13 主要分析了激光从大气 层到外太空可能遇到的各种状况 在太空中 激光推进效果演示如图 1 1 其底部为高 能量激光器 空中为类似于光帆的航天器 2 图图 1 11 1 激光推进演示 激光烧蚀推进是一种全新的推进方式 它是利用高能激光和靶材料相互作用 将 飞行器推进一定高度 激光和靶材料作用会有等离子体产生 形成冲击波 这种冲击 波会使靶材料获得动量 14 在不同的环境条件下 激光和固体材料靶作用冲击波会有相应的形式 在气体中 主要有激光支持的空气燃烧波 LSC 波 和爆轰波 LSD 波 3 在液体中 激光冲击波会 以液体冲击波形式存在 影响烧蚀的结果 15 在真空条件下 激光和靶材作用也会以 另外形式存在 16 激光和靶材料作用会经过环境介质 环境介质的改变会对靶材的冲量耦合系数产 生一定的影响 常见的环境影响因素有空气的气压 液体的密度 外界的湿度 固体 靶材料的性质等 同时 激光器自身的影响也存在 比如激光的能量 光斑大小 脉 冲宽度 激光波长等 早期人们主要从理论上对激光和靶材作用进行分析 后来随着 技术的发展逐渐有了一些实验研究 从理论上研究主要分析激光加热烧蚀固体靶 以 及产生等离子体冲击波等理论 实验主要探测激光烧蚀速率 固体靶的比冲 冲量耦 合系数等 随着研究的进展 人们逐渐了解激光烧蚀及其产生的动力学效应特点 1 21 2 研究状况研究状况 人们对激光烧蚀固体靶研究主要从理论和实验两方面来分析 在空气环境中 国 外对激光烧蚀理论方面的研究 最早的在 1966 年 Ra zer 提出激光冲击下的气体加热 和电离理论 1 很好解释激光和气体介质作用机理 1973 年 Pirri A N 通过建立空气 冲击波模型 4 对高能激光和气体作用的动量传递进行理论解释 并且讨论了空气冲 精品文档 3欢迎下载 击波的一维和二维情形 在这一阶段关于激光推进的研究主要集中在空气冲击波理论 的研究 而对激光的纯烧蚀研究较少 直到 1988 年 Phipps C R 对激光在真空烧 蚀材料进行研究 并且给出了一些烧蚀定律 16 2007 年 Kedar Pathak 研究了在出 现等离子体屏蔽时的碳靶冲击波动力学模型 14 并且给出烧蚀阈值时的烧蚀速率与等 离子体冲击波压力的关系 Arun K Upadhyay 17 于 2008 年数值模拟分析了超短激光 脉冲烧蚀碳原子层的阈值产生过程 激光和固体靶作用实验研究涉及很广 下面就介绍一些关于气体中烧蚀及烧蚀推 进等方面的研究 美国学者 Kantrowitz 在 1972 年 最先从实验上对空气和真空中的 石墨靶和铝靶的冲量耦合系数进行实验测得 2 发现冲量耦合系数在两种环境下呈现 不同规律 James G Lunney 于 1998 年用脉冲激光研究烧蚀金属性质 18 并且对等离 子体冲击波压力进行分析 发现等离子体冲击波压力和等离子体逆軔致吸收激光有很 大关系 2007 年 Wu B 从理论模型和实验上研究了高能纳秒脉冲激光和铝靶作用 19 尤其是实验测定了等离子体密度随时间的延迟关系 很好解释了激光铝靶等离子体演 变过程 同年 S M Klimentov 从实验上系统地研究 20 激光能量密度对烧蚀速率 的影响 外界气压和烧蚀速率关系 靶材厚度与烧蚀速率关系 同时研究了在出现和 没有出现烧蚀阈值是的激光透射率 Sinko John E 在 2010 年对激光烧蚀材料中的各 种参数进行从新评定 并提出减少试验中测量误差需要注意的地方 21 国内对激光烧蚀推进也有相关的研究 1985 年 周大正 22 用波长为 2 8的 HFm 激光器研究固体表面的爆轰波 同时测量的激光引冲击波的动量 2001 年 张树栋 23 研究了激光烧蚀铝靶的等离子体辐射速度和产生的冲击波 对等离子体的径向速度随 时间变化关系进行研究 2004 年 中科大童慧峰 24 研究激光烧蚀推进 通过激光束作 用在单摆的小球上 测量摆角 计算出小球的冲量耦合系数 张端明 25 2005 年提出一 种关于激光烧蚀和等离子体屏蔽效应的新模型 将激光脉冲作用时间分为烧蚀阈值出 现前和出现后 同时考虑了等离子体散射和逆軔致吸收效应 2006 年 赵学庆 26 研究 了不同激光参数对真空中激光烧蚀铝靶冲量耦合系数的影响 尤其是激光波长和激光 脉冲宽度对测量结果的影响 发现实验值与理论值比较符合 谭荣清 27 用 TEACO2激光 器作用在冲击摆上 研究了气体环境中气压对冲量耦合系数的影响 发现气压越大冲 量耦合系数越大 同时烧蚀质量速率越小 说明空气冲击波对冲量耦合系数有很多影 响 郑义军在 2007 年使用 TEA CO2激光器 进行了脉冲激光推进飞行器的研究 28 其 4 中飞行器用铝合金制成的抛物面状模型 2007 年 石海霞 29 用铝靶冲击摆测量了大气 中激光冲量耦合系数 并且将实验数据与 LSD波的一维和二维情况进行分析 2008 年 北京交通大学的孙岳 30 对激光烧蚀机理的研究进展进行报道 系统列举了国内外 的研究状况 张勇强 31 在 2009 年测量了连续激光对两种复合纤维的烧蚀阈值 并且 对其吸收特性进行研究 发现一些材料烧蚀阈值和材料厚度有关 一些材料烧蚀阈值 不随自身厚度变化而变化 袁红 32 于 2011 年对激光和固体材料烧蚀作用进行数值模 拟 给出了激光能量密度和冲量耦合系数的烧蚀拟合公式 2012 年 郑志远 33 用两束 探测光测量了激光等离子体的动量 发现双束探测光比单束探测光的实验结果精度要 高 和理论值很接近 近年来激光在液体环境加工材料和医用激光手术等方面应用很广 人们也开始关 注激光液体环境下烧蚀固体靶材料的研究 1999 年 Noack J 研究水中纳秒到飞秒阶 段的等离子体形成机制 34 主要考虑了激光的能量密度 烧蚀耦合和水的吸收阈值等 2002 日本学者 Yabe T 研究了水烧蚀推进 13 提出了著名的 WC 模型靶 如图 1 2 所 示 并且测量了激光烧蚀水的冲量耦合系数大小 得到 3536NS MJ 的数值 这一数值 比空气中高出两个数量级 2004 年 Dongsik Kim 研究了在水膜存在时 图图 1 21 2 激光在液体中烧蚀金属靶 激光烧蚀阈值附近的固体靶烧蚀情况 并且从实验上给出了激光能流密度和烧蚀速率 关系 R Karimzadeh 15 在 2009 年进行了纳秒脉冲激光在液体中烧蚀硅靶的实验研究 尤其分析硅靶在不同激光能流密度作用下 表面烧蚀半径及液体冲击波压力进行讨论 2014 年 Mikhail E Povarnitsyn 9 对飞秒激光在真空和液体中烧蚀金属进行流体动 精品文档 5欢迎下载 力学数值模拟分析 国内研究主要从实验方面进行 其中南开大学的秦华 35 实验研究 了潮湿环境和干燥环境下不同金属的激光烧蚀阈值 发现潮湿环境中激光烧蚀阈值比 干燥环境要低 西北工业大学的李修乾 36 对液体工质激光推进的冲量耦合系数进行测 定 王彬 37 解释了激光水推进机理 同时也对一些实验参数进行优化 主要分析了激 光和固体靶作用分为两个阶段 激光衰减阶段和液体中等离子体波传播阶段 蔡建 38 对激光在水工质下的推进进行实验研究 对不同水槽深度和不同材料的冲量耦合系数 进行测定 发现在水膜 3mm 时 铝靶的冲量耦合系数最高 为 350dyn W 比空气中最 大冲量耦合系数高出一个量级 其余材料铜靶和碳靶冲量耦合系数较低 厚度为 5mm 和 0mm 的水膜非最佳推进厚度 总之 人们对激光烧蚀研究还在进行着 在理论完善 实验改进 和各种环境因 素对冲量耦合系数影响方面的研究继续努力 1 31 3 文章结构与安排文章结构与安排 本文主要从气体和液体两种环境下分析激光烧蚀金属铝靶 先对两种环境下激光 和材料作用形式及形成的冲击波进行理论研究 接着实验上对两种介质环境中一些影 响冲量耦合系数的因素进行实验测定和讨论分析 全文分为六章节 其内容如下 第一章为绪论 主要介绍激光推进历史 引进激光烧蚀课题 同时对国内外关于 激光烧蚀推进的研究成果进行报道 并且介绍了文章的写作结构 第二章为理论部分 介绍激光和固体介质及液体介质相互作用机理及推进模式 在激光和固体介质作用过程中 分析激光的加热机制 建立空气冲击波的模型并且对 其传播方式进行分析 同时分析了等离子体屏蔽效应 液体介质中关于激光烧蚀固体 靶 主要分析液体击穿中等离子体产生机制 同时对气蚀空泡和液体冲击波进行理论 研究 第三章为实验介绍部分 主要介绍了实验所用仪器以及探测冲量耦合系数方法 同时介绍了实验三个关键量 激光能量 光斑 烧蚀动量 的测量方法 第四章为激光在气体环境下与铝靶作用实验研究 主要研究了三方面内容 1 标准气压下铝靶冲量耦合系数和激光能量密度关系 2 气压对烧蚀铝靶的影响 6 3 激光能量密度对烧蚀铝靶面半径的影响 第五章为激光在液体环境下和铝靶作用的实验研究 其内容包括 1 在水柱中 激光能量密度对铝靶冲量耦合系数的影响 2 激光在水柱中的聚焦位置对铝靶冲量 耦合系数的影响 3 液体介质性质对铝靶冲量耦合系数的影响 第六章为全文总结与展望 将全文内容进行回顾总结并且对未来研究给出建议 精品文档 7欢迎下载 第二章第二章 激光和固体介质及液体介质相互作用机激光和固体介质及液体介质相互作用机 理及推进模式理及推进模式 2 12 1 激光和固体介质作用分析激光和固体介质作用分析 2 112 11 固体靶材料对激光的吸收固体靶材料对激光的吸收 激光由于具有光的强度高 准直性好 单色性好等优点 39 被用于实验研究中 激 光和靶材料的作用过程从宏观上讲是激光对材料的加热过程 高功率激光作用在靶材 料上 引起靶表面温度升高 熔化 汽化 电离混合蒸汽等一系列物理现象 在研究 激光和靶材料的作用过程中 靶材对激光能量的吸收是研究的重要方面 并且靶材对 激光吸收率是重要参数 研究材料对激光的吸收率很有意义 材料对激光的吸收率不 仅与材料固有性质有关 并且还和激光波长 入射能量密度 材料所处环境 温度 气压 外界介质等 激光光斑等有关 下面就一般性的讨论材料对激光的吸收关系 高能激光通过透明介质辐射到靶材料表面 激光能量一部分被靶材料反射 一部 分被材料吸收 其余部分透过靶材料 40 激光和靶材料作用遵守能量守恒定律 可以 表述为 Ei ER EA ET 2 1 8 式中 Ei ER EA ET分别为入射到靶材料上面的激光能量 被材料表面反射的能量 靶材料吸收的能量 激光透过靶材料的能量 对式 2 1 变形可化为 2 2 TAR E E E E E E i T i A i R 1 式中 R 反射率 A 吸收率 T 透射率 激光入射靶材料 材料吸收激光能量 激光能量密度随着材料深度增加而衰减 实验研究表明 对于各项同性材料 能量密度为 j 的激光通过厚度为 dz的材料薄层后 激光能量密度的相对减少量 dj j 与吸收层厚度 dz成正比 41 可以表示为 2 3 z j d j d 式中 为吸收系数 假设入射到材料表面的激光能量密度为 ji 则透入靶表面 z 0 处的穿透能量密度为 1 R ji R 为表面反射率 对 2 3 式从 0 到 z 积分 可得靶表面 z 处的能量密度 j 为 2 4 z ie jRj 1 当激光穿透厚度为的物质后 七其能量密度衰减为穿透功率的 通常用此 1 e 1 定义材料的平均穿透深度 即趋肤深度 一般当材料的厚度远大于趋肤深度时 1 可以考虑激光能量完全作用在这个穿透深度内 21 从微观角度讲 激光与物质的相互作用是电磁场和物质中粒子之间相互作用 在 介质存在情况下 可用麦克斯韦方程组微分形式 42 表述 2 5 0B J t D H D T B E 式中 E H D B J 分别为激光在介质中的电场 磁场强度 电感应强度 磁感 应强度 自由电荷密度 自由电流密度 假设一激光束为单色电磁波 频率为在介质中传播 介质的介电常数 电导率 磁导率 折射率分别为 n 真空中的光速为 c 为了研究方便 引入复折 精品文档 9欢迎下载 射率 其中 k 为消光系数 它反映了波的振幅衰减特性 因此 激光束的电iknn 场强度为 2 6 lr exp 0 cntiEE 分别为激光传播方向的单位矢量和空间位置矢量 根据 2 4 2 6 式 l r 可以得到介质对激光的线性吸收系数 2 7 0 0 442 n k n k c k 式中 为激光在介质中的波长 为激光在真空中的波长 假设激光正入射介质表 0 面 根据菲涅尔反射定律 43 可以得到反射光和入射光的比例系数为 R 即 2 8 22 22 kn kn R 则吸收率 A 可表述为 2 9 22 1 4 1 kn n RA 2 122 12 激光引起靶材料的汽化及等离子体产生激光引起靶材料的汽化及等离子体产生 对于激光加热烧蚀靶材料可以从两方面解释 一方面从一维温度场分析材料内部 吸热问题 41 另一方面从靶表面蒸气层分析蒸气受热及自发辐射 18 首先 对加热靶内部分析 激光入射在靶材料上 会在材料中形成一定的温度场 T 对于光斑尺寸比脉冲作用时间的传播深度大的激光束 加热材料可近似一维热传导 问题处理 材料表面视为均匀受热的一侧无限大物体 假设激光垂直入射材料表面 x 0 材料右侧 x 0 为吸热层 吸收系数为 材料反射率为 R y z T Tzyx 激光束在 x 0 的功率密度为 I0 y z t 材料内部温度场 T 由微分方程 烧蚀中 求 解 2 10 QxIRTk t T c exp 1 0 式中 Q 为其余的体热源 考虑到实验所用激光为高斯光束 波形为连续时间函数 B t 激光强度为 I r t 即 10 2 11 exp 2 0 2 0 R r tItrI 靶材料温度分布为 2 12 44 exp 4 2 01 2 1 2 0 2 011 11 2 00 RDt r Dt x RDtt dtttBD k RAI txrT t 当靶材料内部达到熔点温度 就会形成熔融层 温度继续升高靶材料就出现蒸发 现象 随着靶材吸收激光能量增加 熔融层会继续向靶内传递热量 靶表面汽化分子 持续碰撞 传递热量 形成动态循环过程 在激光辐照强度超过靶蒸气分子电离能时 蒸气分子会电离 形成等离子体 等离子体继续吸收激光能量 会变成高温高压等离 子体密度层 具有很高能量 另一方面 从靶表面蒸气受热温度变化分析 由于激光作用在靶表面深度远小于 热量传递深度 因此可以用 James G Lunney 的简化模型 18 来讨论 这种模型主要考 虑了靶面蒸气层等离子体的温度情况 假设激光能量被靶面蒸气完全吸收 则平均蒸 气温度 TS t 表示为 2 13 d tI CC L TtT t S F S 1 0 0 式中 C 为蒸气比热容 为靶材密度 为靶材热传导系数 IS为靶表面的静能流 T0为靶材初始温度 LF为蒸气吸收的热量 其中 IS表示为 2 14 VPp P LLS L dt Nld RI Nl IRI 1 cos exp 1 式中 N 为蒸气层的平均原子密度 l为蒸气层的厚度 IL为入射激光能量 为激光入 射角度 IP为等离子体自发辐射能量 RL RP分别为靶材对激光的发射率和等离子体 对激光的散射率 上式右端最后一项为蒸发项 LV为每个原子的蒸发热 等离子体自 发辐射能 IP表述为 2 15 exp 1 4 NlTI PPP 式中为 Stefan 常量 为不透明等离子黑体辐射项 近似为光子能 exp 1Nl P P 单位面积的等离子体数目 Nl 变化和蒸汽压 PV TS 有关 2 16 S SV T M TP dt Nld 2 精品文档 11欢迎下载 蒸汽压力由 TS决定 根据 Clausius Clapeyron 方程 2 17 11 exp 1006 1 5 SB V SV TT L TP 在考虑了等离子体吸收激光能量和辐射激光能量后 等离子体温度改变可以表述为 2 18 PP PP LL P IR lNlN RI M ZNl dt kTd 2 cos exp1 cos exp1 1 1 2 1 2 式中 M 为等离子体流的速度 马赫数 为绝热常熟 Z 为铝原子核电荷数 25 1 蒸气被高能聚焦激光击穿电离 是由两种机制在作用 即电子崩电离和多光子电 离 电子崩过程电离是指 靶材料电子吸收激光能量后电离 当电子能量足够高 与 中性原子碰撞后 中性原子发生电离 从而发生级联电离 2 19 HeHe2 在这种机制下 电子会迅速增长 多光子机制是 原子或者分子在同一时间吸收足够的光子导致自身电离 2 20 eHmhH 多光子电离对于短波长 小于 1 m 起作用 同时 靶蒸汽电离率和激光功率密度有 关 在靶蒸气中也存在自由电子减少过程 主要包括附着 A1 和复合过程 A2 A1 2 21 XCDXCDe A2 2 22 XCDXCDe 因此 靶蒸气自由电子增长方程可表述为 2 23 210eee m me e nBnvnvnIHnv dt dn 式中 ne为自由电子密度 v0为碰撞电离率 Hm为多光子电离率 I t 是入射激光的 功率密度 v1为附着率 v2为复合率 B 是电子扩散系数 12 2 132 13 激光冲击波及等离子体屏蔽激光冲击波及等离子体屏蔽 激光冲击波模型激光冲击波模型 激光辐照材料是材料气化 在靶表面形成靶蒸气层 蒸气分子被激光电离击穿形 成等离子体 等离子体具有较高的动量和热量 会以较高速度向外辐射传递能量 最 终形成冲击波 激光冲击波模型表述为如图 2 1 所示 为了研究方便需要简单引入克 努森及层概念 通常假定在靶表面前方激光平均自由程 m 量级 的分子碰撞层为克 努森 Knudsen 层 所有推导均在这个区域内讨论 图图 2 12 1 激光冲击波模型图 本模型是从激光冲击波横截面图分析 坐标轴采用柱坐标 r Z 轴 沿 Z 轴柱对称 首先对激光冲击波的流体模型进行讨论 假设克努森 Knudsen 层为理想的气体层 并且可以被压缩 冲击波的动力学状态可以被表述 Navier Stokes 公式 14 2 24 BSRTaAGFU rZt 式中 时 表示二维平面流 时 表示二维轴对称流0 1 精品文档 13欢迎下载 2 2 V e v u U pu V eu uv pu F 2 2 2 pv V ev pv uv v G 2 2 2 zzrzz zr zz qvu R 0 rrrrz rr rz qvu S 0 exp 0 0 0 0 E T pv V ev v uv v r A 2 1 2 2 0 1 22 uv zr v r r r v qvu r v r r r v r v z r r B rrrrz rr rz r v z u zz 2 z u r v rr 2 z v r u rzzr r v r v z u 2 r T qr z T qz 其中理想气体状态方程可近似表述为 2 25 ep 1 由 2 24 和 2 25 可以解得 u v p 和 V 在上述公式中 为气体密度 p 为气体压 强 V 代表总的速度 e 为分子内能 为透射率系数 为速度在各方向梯度张量 q 为与温度有关的在轴向梯度分量 为温度状态参数 均为柱坐标中一些系数 现在来讨论一些边界条件 在图 2 1 所示的横截面中 有 b1到 b5五个边界处 其中 b5代表靶面边界 分析如下 在边界面 b1处 即 r 0 界面 V Vin为冲击波入射速度 q qin为初始状态 物态 方程有 p 和 T 决定 在边界面 b2和 b3上 V 0 0 rq 14 在边界面 b4上 V Vout为冲击波出射速度 q qout 在边界面 b5固体靶面上 当 q qin t 当 V 0 其中 tp p tt p tt 0 zq 为激光脉冲作用时间 对于激光冲击波的研究还可以用 LSD 模型来解释 4 在一维情况下 激光作用引 起靶面受靶蒸气冲击压强为 2 26 JL pp 1 2 2 1 式中 为 LSD 冲击波波后压力 为环境气体密度 3 2 00 3 13 23 1 1 1 4IpJ 0 为绝热膨胀系数 I0为激光能量密度 0 ppL 激光脉冲作用后 靶面压力会以平面爆炸波形式衰减 b p 2 27 3 2 ttpp pLb 当 t ta时 pb降到环境气压 p0 并且 ta小于侧面束稀波到达时间 此时靶面受到冲量 为 2 28 dtpdtpI a p p t t b t Lm 0 代入 pL pb 得到 2 29 pm tI p I 0 2 1 0 0 2 3 2 1 3 1 1 2 1 6 假设初始冲击波速为 由于 pL远大于 p0 因此冲量耦合系数 Cm表述为 00 pco 2 30 0 2 3 2 2 1 1 3 1 1 2 1 6 c Cm 该 Cm为气体环境中 LSD 波在阈值光强下的达到的最大值 此计算公式在靶材料等 离子体没有出现对激光的屏蔽时适用 等离子体屏蔽等离子体屏蔽 激光烧蚀引起靶材气化进而使靶前气体电离形成等离子体 随着等离子体增多 靶前聚集着高温高压等离子体 在激光传输中 靶前不再是透明蒸气 存在着各种分 子剧烈碰撞 并且存在有激光逆軔致吸收 IB inverse bremsstrahlung 和激光散射 等物理过程 25 等离子体屏蔽使激光作用到材料上面的能量变小 导致烧蚀质量迁移 精品文档 15欢迎下载 率降低 进而影响激光冲量耦合系数 44 现在来分析激光烧蚀速率变化及等离子体对激光的吸收效应 首先 分析激光的 烧蚀速率 假设烧蚀速率为 激光烧蚀作用面积为 A 靶的密度为 靶上原子溢 m 速率为 V 则激光烧蚀速率表示为 2 31 AVm 假设脉冲宽度为 T t 的激光加热理想气体 光束为高斯光束 I r t 其空间分布 为 2 32 2 exp 2 0 2 0 r tTItrI 式中 I0为激光的最大光强 为激光光强的 1 e2处的光斑半径 假定激光脉冲宽 0 度 T t 保持不变 在整个作用过程中 等离子体压强 P 表述为 2 33 2 0 2 2 1 0 2 3 1 2 1 r eF fZ P 其中 F0为激光作用的横截面上最大能量密度 为脉冲宽度 等离子体冲击波作用半 径近似为激光光斑半径的倍 施加在靶表面的烧蚀压力 P 可以认为是等离子体冲击2 波对靶面的压力 根据伯努利流体方程烧蚀速度 Ve可以表述为 2 34 P Ve 2 利用 2 33 和 2 34 式可以求得烧蚀速度 Ve 即 2 35 2 exp 2 3 1 2 2 2 0 2 4 1 0 r F fZ Ve 从上式可以看到烧蚀速率成高斯分布 烧蚀速率与铝靶密度和激光脉冲时间 光斑大 小均有关 其次来分析等离子体屏蔽效应 假设在等离子体吸收区域 等离子体吸收激光能 量为 Ea 入射到等离子体区域的激光能量为 E0 则根据 Bouger Lambert Beer 律 激 光衰减可表述为 16 2 36 0 0 zkE dz zdE 等离子体对入射到等离子体区域的激光衰减比为 2 37 0 0 exp rz a dzTk E E 式中 z r 为激光作用等离子体区域 为激光波长 T 为温度 k 为等离子体对 T 激光的吸收系数 k 是由靶原子的密度和原子层厚度决定 T 2 38 nTk 式中为原子层系数 n 为原子密度系数 系数 n 12 moleculem 3 mmolecule 可由下式决定 2 39 nKTp 式中 p K T 分别为靶蒸气压力 波尔兹曼常数 靶蒸气温度 靶材等离子体对激光屏蔽效应也可由另一种模型表示 即等离子体对激光逆軔致 吸收 等离子体对激光逆軔致吸收效应可由逆軔致耦合系数表示 IB 2 40 13 27 2 23 exp 1 101 4 cm kT kT T NNZ p p p ei IB h h 式中 Z 为平均化合价 Ni为粒子密度 Ne为电子密度 Tp为等离子体温度 为普朗h 克常量 k 为玻尔兹曼常量 为脉冲激光的频率 2 22 2 激光和液体介质作用分析激光和液体介质作用分析 2 212 21 液体介质的击穿电离液体介质的击穿电离 高能聚焦激光和液体作用 引起液体介质击穿电离 它主要涉及液体介质电离能 和激光能量密度关系 当激光能量密度超过液体分子电离势能 液体分子才会电离 液体分子电离势能和液体介质的能带结构 电子密度及分布有关 45 液体击穿电离伴 随着一些效应 可以通过探测获得 如等离子体辐射光谱 闪光 液体冲击波等 46 为了研究击穿效应 需要引进一个参数即临界电子密度 即发生一个击穿现象 时产生的最小自由电子密度 一般 临界密度在 当自由电子密度达到 318 10cm 精品文档 17欢迎下载 这一数值时 液体介质会出现明显的闪光现象 液体介质击穿机制可以用多光子击穿模型来解释 液体介质多光子击穿类比于半 导体击穿 多光子电离几率为 W 它与激光强度 I0的关系可表述为 2 41 k BIAW 0 其中 k zKmA 16 1 2exp 9 2 2 3 h 00 22 ncEmeB i 2 42 2 1 22 h i EKz 式中 K 代表需要电离能量为的光子的数目 Ei代表穿越能带所需的跃迁能量 即 h 电离能 为激子的质量 e 为电子电荷 c 为真空光速 为真空介电常数 n0为与 m 0 介质的频率相对应的折射率 代表 Dawson 积分 B 的单位是 A 的单 z Wm 2 位是 W 表示单位时间单位体积内的离子数 31 ms 2 222 22 等离子体在液体介质中的膨胀等离子体在液体介质中的膨胀 当激光束击穿液体介质 等离子体通过逆軔致过程 47 吸收激光能量 从而使等离 子体温度和压强升高 这样的等离子体会压缩周围液体介质 并且使液体介质汽化 由于和周围液体存在压力差 汽化的分子会形成气泡 气泡会以较高速度在介质中传 播 直到碰到障碍物释放全部能量 等离子体吸收激光能量达到高温高压状态 它会以超声速向外膨胀 从而产生液 体冲击波和气蚀空泡效应 气蚀空泡效应对与研究激光在液体环境烧蚀固体材料效率 和激光冲量耦合系数有重要意义 下面就气蚀空泡的动力学状态 半径 能量进行讨 论 在球坐标下 首先给出气蚀空泡的动力学守恒方程 2 43 0 2 r u r u t u t 2 44 0 1 r p r u u t u 式中 u r 为微粒距离冲击波源点 r 处的径向传播速度 假设流体不可压缩 则为 18 一常数 对式 2 44 积分可得 2 45 r UR u 2 式中 R U P 分别为空泡在边界处的半径 速度 压强 相应的参数 u r p 分别为 微粒的速度 距源点距离 液体中的压强 在微粒运动到边界处的动能表示为 2 46 3222 24 2 1 RUdrru R 计算可得空泡在边界处做功为 经上述分析得到 Rayleigh 方程 3 4 33 0 RRp 2 47 1 3 2 3 3 0 2 R Rp U 式中 R0为空泡的初始半径 为流体静压 p 2 232 23 液体冲击波理论液体冲击波理论 利用流体不可压缩理论 对液体中气蚀空泡动力学进行分析 为了研究液体冲击 波的传输 需要求解气蚀空泡和液体的运动方程 并且要考虑冲击波波前的近似边界 条件 冲击波波前的传播速度 vn可由流体力学中的守恒关系求得 2 48 nn vvv 0 2 49 vvpp n0 2 50 11 2 1 0 0 ppEE 式中 E0和 E 分别为冲击波的初始和终止能量 v 为波后空泡速度 根据式 2 48 和 2 49 可以得到冲击波波前速度和空泡速度 2 51 00 pp vn 2 52 n vv 0 精品文档 19欢迎下载 当给出压强和密度的初始值 可有公式 2 48 2 52 及物态方程求得冲击波波前速 度 压强和冲击波波后空泡的传播速度和密度 2 32 3 激光烧蚀推进模型及相关参数激光烧蚀推进模型及相关参数 在引进激光烧蚀模型理论时 需要介绍烧蚀推进的几个总要参数 48 参数如下 m 表示工质质量 表示消耗的工质 IP为比冲 I 为冲量 P 为靶材料获得动量 m Cm为冲量耦合系数 为激光推进效率 E 为辐照激光能量 激光烧蚀质量比 激光 烧蚀速率 模型表述为能量为 E 的激光辐照在质量为 m 的靶上 在激光作用下 质 m 量为靶材料熔化为蒸气 靶材料获得冲量为 I 靶材获得速度 同时靶材料具m v 有动量 P IP为比冲 定义为单位质量下获得的冲量 单位为 kgsN 2 53 m vm m P m I IP 冲量耦合系数 Cm定义为单位能量下获得的冲量 单位为 JsN 2 54 E vm E P E I Cm 推进效率表示为单位激光能量下靶材获得的动能 即 2 55 mE P E vm 22 1 22 激光烧蚀质量比定义为激光烧蚀引起的材料损耗质量与靶质量之比 2 56 m m 烧蚀速率表示为单位时间 单位面积上烧蚀迁移的靶质量 可以用产生的等离子密 m 度和速度乘积表示 即 v 2 57 vm 20 精品文档 21欢迎下载 22 第三章第三章 实验方法及测量原理实验方法及测量原理 实验介绍实验介绍 为了测量纳秒脉冲激光在不同环境下和铝靶材料作用 本实验主要分为两大部分 一 激光在气体环境下和铝靶作用 1 标准气压下 研究激光能量密度和冲量耦合 系数关系 2 改变气压 测量激光冲量耦合系数 研究气压对激光烧蚀的影响 3 改变激光能量密度 研究等离子屏蔽效应对烧蚀半径影响 二 激光在液体环境下和 铝靶作用 1 研究水中激光在不同能量密度下烧蚀铝靶对冲量耦合系数影响 2 研究激光在水中的聚焦位置对烧蚀推进影响 3 改变液体介质 研究不同介质性质对 冲量耦合系数影响 3 13 1 激光在气体条件下与铝靶作用激光在气体条件下与铝靶作用 本实验目的主要是探究环境气体条件的改变对激光冲量耦合系数的影响 实验重 在测量激光冲量耦合系数 属于探究验证性实验 对于气体条件下测量激光冲击铝靶 的动量测量 已经有相关实验研究报道 29 49 50 本实验采取一种自主设计方案 可 以比较直观测量 具体介绍如下 实验仪器部分实验仪器部分 实验测量仪器如图 3 1 所示 实验仪器从左至右依次为 控制系统主要是电源 其电 压为 220v 并且接通直流铅蓄电池为激光器提供能量 激光器为 Nd YAG 掺铷离子 Nd3 固体激光器 激光脉宽为 10ns 波长为 532nm 和 1064nm 两种 分单脉冲和连 续脉冲 其中单脉冲能量可调 调节范围为 10mJ 50mJ 分光束镜用石英玻璃取代 其反射光和透射光比例通过调节激光入射角度改变 能量计测量激光能量 能量计量 精品文档 23欢迎下载 程有 30mJ 和 300mJ 灵密度为 0 01mJ 透镜为凸凸镜 焦距为 7cm 压敏传感器探头 其内部为 PZT 陶瓷芯片 响应时间小于 1 示波器为数字示波器 采样率为s 500MHZ 响应时间为 100ns 图图 3 13