激光与物质相互作用课件[优制材料]

1、 激光等离子体 激光等离子体 第第2 2章章 激光熔融与气化激光熔融与气化 激光加热材料表面使得其表面的温度激光加热材料表面使得其表面的温度 升高、当表面温度达到材料的熔点时，升高、当表面温度达到材料的熔点时， 将发生熔融现象；继续加热到材料表将发生熔融现象；继续加热到材料表 面温度达到气化温度时，表面将发生面温度达到气化温度时，表面将发生 汽化现象。汽化现象。 1行业材料 激光等离子体 激光等离子体 1 1 激光熔融现象激光熔融现象 当激光致使材料表面的温度达到其熔点时，材料表当激光致使材料表面的温度达到其熔点时，材料表 面已有部分被熔化而且熔化区的出现使热传导变面已有部分被熔化而且熔化区的

2、出现使热传导变 得很复杂；原因主要因为材料熔化要吸收熔化热；得很复杂；原因主要因为材料熔化要吸收熔化热； 其次材料的热导率在熔化前后将成倍的变化。其次材料的热导率在熔化前后将成倍的变化。 2行业材料 激光等离子体 激光等离子体 等温面传播的最大距离为最大熔化深度，该物理量是等温面传播的最大距离为最大熔化深度，该物理量是 激光焊接中的重要参数。为使问题简化，在激光加热激光焊接中的重要参数。为使问题简化，在激光加热 和熔化期间材料的热特性保持不变，且激光强度恒定，和熔化期间材料的热特性保持不变，且激光强度恒定， 均匀地作用于材料表面，熔化（液相区）也均匀地出均匀地作用于材料表面，熔化（液相区）也均

3、匀地出 现在某一平面上，并假设等温面现在某一平面上，并假设等温面z z（t t），边界条件为：），边界条件为： 激光照射到材料表面时，材料表面温度按热传导的规激光照射到材料表面时，材料表面温度按热传导的规 律升高，但表面温度达到熔点律升高，但表面温度达到熔点T Tm m，等温面，等温面( (熔化波前熔化波前) ) 以一定的速度向材料内部传播。其传播速度取决于激以一定的速度向材料内部传播。其传播速度取决于激 光功率密度和材料的固相、液相的热力学参数。光功率密度和材料的固相、液相的热力学参数。 3行业材料 激光等离子体 激光等离子体 2 2 21 0 12 2 21 1, 2, . ( ) ( )

4、,0 0,0 ( ),0 (, ),0 (, 0 )() (0 )0 limlim ii li l l l ls n zz TT ai tz LTTd z t zz tt zzd t T aPzt z TTTzz tt T Tz tT z TzTz z 式中下标式中下标 1 1，2 2分别分别 表示液相表示液相 和固相，和固相， TnTn代表融代表融 化温度；化温度； L Ll l为材料为材料 的熔化潜的熔化潜 热；热；t t是是 熔化开始熔化开始 后的时间。后的时间。 4行业材料 激光等离子体 激光等离子体 22 22 20 4 ln n tAs T t a a P t tn n是激光照射材

5、料表面到材料熔化所需的时间是激光照射材料表面到材料熔化所需的时间 对于大多数金属而对于大多数金属而言言，0 .5 l ln L c T 近似成立，所以溶化波前的深度为近似成立，所以溶化波前的深度为 0 0.16 ( )() As n l a P z ttt L 5行业材料 激光等离子体 激光等离子体 6行业材料 激光等离子体 激光等离子体 在所作用的激光脉宽一定时，应调整作用激光的在所作用的激光脉宽一定时，应调整作用激光的 功率密度，以便在激光脉冲结束时材料表面恰好功率密度，以便在激光脉冲结束时材料表面恰好 达到气化温度，以获取最大的熔化深度。达到气化温度，以获取最大的熔化深度。 溶蚀时间溶蚀

6、时间t tn n可由热平衡方程近似出可由热平衡方程近似出 7行业材料 激光等离子体 激光等离子体 8行业材料 激光等离子体 激光等离子体 第第2 2节节 靶材的气化模型靶材的气化模型 高强度激光脉冲照射金属靶表面分为几个阶段高强度激光脉冲照射金属靶表面分为几个阶段: : 首先，首先，靶表面达到熔点温度时，就形成一个熔融靶表面达到熔点温度时，就形成一个熔融 层，层，然后然后温度继续上升直到蒸发开始。一部分吸温度继续上升直到蒸发开始。一部分吸 收的激光能流变为蒸发的潜热、气化质量的动能收的激光能流变为蒸发的潜热、气化质量的动能 和喷溅蒸气的热量，其余部分传给靶材和喷溅蒸气的热量，其余部分传给靶材。

7、最后。最后， 在强度不是很高的条件下，喷溅蒸气不能形成强在强度不是很高的条件下，喷溅蒸气不能形成强 吸收，系统达到一个稳定状态。吸收，系统达到一个稳定状态。 9行业材料 激光等离子体 激光等离子体 10行业材料 激光等离子体 激光等离子体 若激光加热能量分布随时一间变化，则必须假定若激光加热能量分布随时一间变化，则必须假定 在每一时刻均存在稳定状态解，然后将所有的点在每一时刻均存在稳定状态解，然后将所有的点 的解集合。的解集合。 对于蒸发稳定状态，可从温度和蒸气的质量变化率来对于蒸发稳定状态，可从温度和蒸气的质量变化率来 计算蒸气压力计算蒸气压力 11行业材料 激光等离子体 激光等离子体 在更

8、高的强度下，激光和蒸气之间的相互作用变在更高的强度下，激光和蒸气之间的相互作用变 得重要了，温度很高以致部分靶蒸气原子处于激得重要了，温度很高以致部分靶蒸气原子处于激 发状态，另外随着蒸气密度的加大，逆韧致辐射发状态，另外随着蒸气密度的加大，逆韧致辐射 过程加强了。过程加强了。 12行业材料 激光等离子体 激光等离子体 考虑熔融潜热考虑熔融潜热 稳态蒸发解为稳态蒸发解为 13行业材料 激光等离子体 激光等离子体 14行业材料 激光等离子体 激光等离子体 铝靶吸收了功率密度为铝靶吸收了功率密度为10107 7W/cmW/cm2 2的激光后温度分布的激光后温度分布 15行业材料 激光等离子体 激光

9、等离子体 第第3 3节节 靶材气化时的靶材气化时的Knudsen(Knudsen(克努森克努森)层层 从靶表面跑出来的蒸汽粒子具有表面温度下的麦从靶表面跑出来的蒸汽粒子具有表面温度下的麦 克斯韦速率分布克斯韦速率分布. .而且这些气化粒子的速度方向均而且这些气化粒子的速度方向均 是离开靶表面方向。是离开靶表面方向。 这种各向异性的速率分布是通过蒸气粒子相耳碰撞这种各向异性的速率分布是通过蒸气粒子相耳碰撞 形成的，通常认为这种碰撞是在靶表面前方几个平形成的，通常认为这种碰撞是在靶表面前方几个平 均自由程内进行，这一区域称为均自由程内进行，这一区域称为KnudsenKnudsen层层。 16行业材

10、料 激光等离子体 激光等离子体 17行业材料 激光等离子体 激光等离子体 在下面处理过程中，假设所有后向散射蒸气粒在下面处理过程中，假设所有后向散射蒸气粒 子凝固到靶表面上，并将蒸气近似为理想气体子凝固到靶表面上，并将蒸气近似为理想气体 来处理，那么来处理，那么1mol1mol理想气体内能为理想气体内能为 18行业材料 激光等离子体 激光等离子体 代入分布函数式并积分，得到代入分布函数式并积分，得到KnudsenKnudsen层的质量、动量、层的质量、动量、 能量守恒方程能量守恒方程 19行业材料 激光等离子体 激光等离子体 20行业材料 激光等离子体 激光等离子体 变换一下得靶表面蒸汽的温度

11、、密度与靶材密度、变换一下得靶表面蒸汽的温度、密度与靶材密度、 表面温度的关系。表面温度的关系。 21行业材料 激光等离子体 激光等离子体 KnudsenKnudsen层的蒸气马赫数层的蒸气马赫数MaMa为为 马赫数马赫数:Mach number:Mach number 定义定义1 1：在某一介质中物体运动：在某一介质中物体运动 的速度与该介质中的声速之比。的速度与该介质中的声速之比。 定义定义2 2：流场中某点的速度与该：流场中某点的速度与该 点处的声速之比点处的声速之比 22行业材料 激光等离子体 激光等离子体 第第4 4节节KnubsenKnubsen层外的蒸气流动层外的蒸气流动 五条假

12、没五条假没: : 1)1)作用激光近似作为顶帽型作用激光近似作为顶帽型(top-hat)(top-hat)处理。处理。 2) 2)激光脉冲开始时，就有蒸发现象激光脉冲开始时，就有蒸发现象 3)3)激光脉冲期间，靶表面靶物质喷溅是稳激光脉冲期间，靶表面靶物质喷溅是稳 定的。定的。 4) 4)靶周围气体均匀且静止。靶周围气体均匀且静止。 5)5)与气体喷溅速度相比，靶表面后退速率与气体喷溅速度相比，靶表面后退速率 很慢很慢 23行业材料 激光等离子体 激光等离子体 整个区域分为三部分，整个区域分为三部分，1 1、表示、表示 稳态气体，稳态气体，2 2、表示受扰动气、表示受扰动气 体体;3;3、为、

13、为KnudsenKnudsen层邻近气体层邻近气体 冲击波后的气体速度冲击波后的气体速度 24行业材料 激光等离子体 激光等离子体 25行业材料 激光等离子体 激光等离子体 MaMa3 3表示接触间断面蒸气中的马赫数表示接触间断面蒸气中的马赫数 代入代入V V2 2 26行业材料 激光等离子体 激光等离子体 27行业材料 激光等离子体 激光等离子体 饱和蒸气压力和饱和蒸气压力和KnudsenKnudsen层温度层温度TsTs的函数关系的函数关系 28行业材料 激光等离子体 激光等离子体 29行业材料 激光等离子体 激光等离子体 第第5 5节节 气化时间的估计气化时间的估计 假设气化过程中，所有

14、材料在液相和固相时性质相同，且不假设气化过程中，所有材料在液相和固相时性质相同，且不 随温度变化，那么气化厚度为随温度变化，那么气化厚度为d ,:d ,:的金属所需时间可由能量的金属所需时间可由能量 守恒定律推得守恒定律推得 30行业材料 激光等离子体 激光等离子体 作用激光功率密度愈高所需气化时间愈短；作用激光功率密度愈高所需气化时间愈短； 一般气化时间比熔融时间高出一个数量级，原一般气化时间比熔融时间高出一个数量级，原 因在于沸点比熔点高得多。而且气化潜热比熔融因在于沸点比熔点高得多。而且气化潜热比熔融 潜热要大一个数量级。潜热要大一个数量级。 激光加热靶材且至气化过程中，有两个非常重要的

15、物理激光加热靶材且至气化过程中，有两个非常重要的物理 量：量：激光与靶材的热耦合系数激光与靶材的热耦合系数，激光能量中被转化为靶，激光能量中被转化为靶 的热能的部分。的热能的部分。 质量迁移率质量迁移率： m/Em/E，材料气化而损失的质量与激光能量材料气化而损失的质量与激光能量 的比值，与激光功率密的分布、脉冲结构、光斑大小及的比值，与激光功率密的分布、脉冲结构、光斑大小及 材料本身的特性等都有关。材料本身的特性等都有关。 31行业材料 激光等离子体 激光等离子体 调调Q或锁模激光，或锁模激光， m/E的值在的值在1-10 g/J，而对自由振荡，而对自由振荡 脉冲激光、其脉宽为毫秒量级脉冲激

16、光、其脉宽为毫秒量级 m/E 为为102 g/J数量级数量级 32行业材料 激光等离子体 激光等离子体 很强激光照射靶材引起蒸气或等离子体的流体力学运动很强激光照射靶材引起蒸气或等离子体的流体力学运动 及其在凝聚态靶中的力学响应，构成了激光对靶的力学效及其在凝聚态靶中的力学响应，构成了激光对靶的力学效 应，蒸气或等离子体的运动将占据明显的能量比例，其动应，蒸气或等离子体的运动将占据明显的能量比例，其动 力学机制成为这类现象的主要因素，并对激光与靶的福合力学机制成为这类现象的主要因素，并对激光与靶的福合 起到决定性的作用起到决定性的作用。 33行业材料 激光等离子体 激光等离子体 在离开处于热力

17、学平衡态的凝聚态靶表面的气体分子中，在离开处于热力学平衡态的凝聚态靶表面的气体分子中， 有一定比例的粒子由于反向散射而返回靶表面有一定比例的粒子由于反向散射而返回靶表面; 特别当饱和气化时，蒸气压力与环境气体压力平衡，离特别当饱和气化时，蒸气压力与环境气体压力平衡，离 开靶面的粒子数与返回靶面的粒子数相等，呈现动态平衡。开靶面的粒子数与返回靶面的粒子数相等，呈现动态平衡。 饱和气化时其平均速度为零，表现为气态半空间中的麦克饱和气化时其平均速度为零，表现为气态半空间中的麦克 斯韦分布斯韦分布 34行业材料 激光等离子体 激光等离子体 当蒸气压力大于环境压力、出现非饱和气当蒸气压力大于环境压力、出

18、现非饱和气 化时相界面附近蒸气粒子平动态不平衡，化时相界面附近蒸气粒子平动态不平衡， 离开的粒子数多于返回的，粒子之间经过离开的粒子数多于返回的，粒子之间经过 若干个平均自由程的相互碰撞后才逐渐达若干个平均自由程的相互碰撞后才逐渐达 到平衡，形成宏观状态一致的蒸气流。因到平衡，形成宏观状态一致的蒸气流。因 此，相界面附近有一个很薄的介质密度间此，相界面附近有一个很薄的介质密度间 断区，也是蒸气粒子由平动不平衡变为平断区，也是蒸气粒子由平动不平衡变为平 衡的过渡区，称为衡的过渡区，称为克努森层克努森层。 35行业材料 激光等离子体 激光等离子体 36行业材料 激光等离子体 激光等离子体 第第4

19、4章章 靶表面激光等离子体产生与发展靶表面激光等离子体产生与发展 如果蒸气粒子继续吸收激光能星、温度继续如果蒸气粒子继续吸收激光能星、温度继续 升高。最后将导致蒸气分子电离，形成一种高温升高。最后将导致蒸气分子电离，形成一种高温 度高密度的状态度高密度的状态一等离子体。本章将从蒸气的电一等离子体。本章将从蒸气的电 离、离、sahasaha方程、流体动力学等角度去揭示等离子方程、流体动力学等角度去揭示等离子 体的点燃机理。体的点燃机理。 37行业材料 激光等离子体 激光等离子体 4 41 1 等离子体的特性和产生机制等离子体的特性和产生机制 411等离子体的特性等离子体的特性 物质的状态是由组成

20、物质的每个粒子的动能大小决定的。若此动能大物质的状态是由组成物质的每个粒子的动能大小决定的。若此动能大 于原子的电离势于原子的电离势(约约10eV左右左右)，则物质处于等离子体状态，这是除固、，则物质处于等离子体状态，这是除固、 液、气以外的第四种物态。液、气以外的第四种物态。 等离子体就是高度电离的气体等离子体就是高度电离的气体,所谓高度电离，是指带电粒子的密度足所谓高度电离，是指带电粒子的密度足 够高，正、负带电粒子之间的相互作用很强，使得在气体体积大小的够高，正、负带电粒子之间的相互作用很强，使得在气体体积大小的 空间范围内等离子体可以保持电中性。中性或弱电离气体中，分子、空间范围内等离

21、子体可以保持电中性。中性或弱电离气体中，分子、 原子、离子和电子等粒子的个体碰撞，即少数粒子之间的个体相互作原子、离子和电子等粒子的个体碰撞，即少数粒子之间的个体相互作 用，是该系统行为的支配因素。用，是该系统行为的支配因素。 等离子体则是一种电荷之间静电等离子体则是一种电荷之间静电(库仑库仑)相互作用的长程力起主要作用相互作用的长程力起主要作用 的物质形态，大量粒子之间的集体相互作用表明等离子体中主要的运的物质形态，大量粒子之间的集体相互作用表明等离子体中主要的运 动形态是各种波动。动形态是各种波动。 38行业材料 激光等离子体 激光等离子体 等离子体的一般特性有：等离子体的一般特性有： (

22、1) (1)电准中性电准中性 由于高度电离，破坏电中性的任何扰由于高度电离，破坏电中性的任何扰 动都会导致该区域强电场的出现，从而使电中性得以恢复。动都会导致该区域强电场的出现，从而使电中性得以恢复。 换言之，等离子体内电荷分布偏离的空间与时间尺度都很换言之，等离子体内电荷分布偏离的空间与时间尺度都很 小。小。 (2) (2)强导电性强导电性 由于存在很多自由电子和各种荷电离由于存在很多自由电子和各种荷电离 子，等离子体的电导率很高。子，等离子体的电导率很高。 (3) (3)与磁场发生相互作用与磁场发生相互作用 利用磁场可以控制等离子利用磁场可以控制等离子 体的位置、形状与运动。体的位置、形状

23、与运动。 (4) (4)集体相互作用集体相互作用 指大量带电粒子在自己产生的电指大量带电粒子在自己产生的电 场中运动的行为，也就是等离子体内的各种波动过程。场中运动的行为，也就是等离子体内的各种波动过程。 39行业材料 激光等离子体 激光等离子体 集体相互作用中，最基本的是集体相互作用中，最基本的是IangmuirIangmuir波，称为波，称为IangmuirIangmuir 振荡或静电波。是电场振动方向跟传播方向一致的纵波。色振荡或静电波。是电场振动方向跟传播方向一致的纵波。色 散关系为散关系为: : 40行业材料 激光等离子体 激光等离子体 静电波有两种极端的情况静电波有两种极端的情况

24、41行业材料 激光等离子体 激光等离子体 无磁场时等离子体波的色散曲线无磁场时等离子体波的色散曲线 42行业材料 激光等离子体 激光等离子体 沿磁场方向传播的等离于体波色散曲线沿磁场方向传播的等离于体波色散曲线 43行业材料 激光等离子体 激光等离子体 等离子体按温度高低可分为：等离子体按温度高低可分为： (1)(1)低温等离子体低温等离子体 温度为室温到温度为室温到3 310104 4K K左右，在此范围左右，在此范围 内还可按重粒子温度的高低分为热等离子体和冷等离子体。内还可按重粒子温度的高低分为热等离子体和冷等离子体。 热等离子体的重粒子温度约热等离子体的重粒子温度约3 3l0l04 4

25、K K，基本处于热平衡状态；，基本处于热平衡状态； 冷等离子体的重粒子温度低冷等离子体的重粒子温度低( (可低至室温可低至室温) )，而电子温度为，而电子温度为 l0l04 4K K左右，是远离热平衡的状态。左右，是远离热平衡的状态。 44行业材料 激光等离子体 激光等离子体 (2)(2)高温等离子体温度为高温等离子体温度为10106 6-10-108 8K K，例如受控热核聚变条，例如受控热核聚变条 件下的氘氚气体就属于此类等离子体件下的氘氚气体就属于此类等离子体. . 沿垂直于磁场方向传播的等离子体波色散曲线沿垂直于磁场方向传播的等离子体波色散曲线 45行业材料 激光等离子体 激光等离子体

26、 46行业材料 激光等离子体 激光等离子体 4 41 12 2激光等离子体的产生机制激光等离子体的产生机制 产生等离子体的技术途径通常为核聚变、高功率激光、产生等离子体的技术途径通常为核聚变、高功率激光、 强冲击波、电弧放电、高频电场和强燃烧等方式。强冲击波、电弧放电、高频电场和强燃烧等方式。 高功率激光辐照各种气体、液体或固体靶，使部分靶介质高功率激光辐照各种气体、液体或固体靶，使部分靶介质 转变为等离子体状态的主要机制是：转变为等离子体状态的主要机制是： (1)(1)光电离光电离 原子中的电子受到激光照射时，由于光电原子中的电子受到激光照射时，由于光电 效应或多光子能量而发生电离。效应或多

27、光子能量而发生电离。 (2)(2)热电离热电离 高温下热运动速度很大的原子相互碰撞，高温下热运动速度很大的原子相互碰撞， 使其电子处于激发态，其中一部分电子的能量超过电离势而使其电子处于激发态，其中一部分电子的能量超过电离势而 使原子发生电离。使原子发生电离。 (3)(3)碰撞电离碰撞电离 气体中的带电粒子在电场作用下加速井气体中的带电粒子在电场作用下加速井 与中性原子碰撞，发生能量交换，使原子中的电子获得足够与中性原子碰撞，发生能量交换，使原子中的电子获得足够 能量而发生电离。能量而发生电离。 47行业材料 激光等离子体 激光等离子体 各种等离子各种等离子 体的参数范体的参数范 围围 日面等

28、离子日面等离子 体：体：1冕冕 洞；洞；2凝凝 聚区；聚区；3 耀斑爆发区；耀斑爆发区； 4冕色过冕色过 渡区；渡区； 5色球色球 层；层；6日日 珥；珥；7针针 状物；状物；8一一 耀斑。耀斑。 48行业材料 激光等离子体 激光等离子体 光电离光电离: :气体中原子吸收一个或多个光子，因光电效应而气体中原子吸收一个或多个光子，因光电效应而 发生电离的现象，但在激光等离子体场合较少发生。发生电离的现象，但在激光等离子体场合较少发生。 发生单光子吸收的条件相当于要求激光波长发生单光子吸收的条件相当于要求激光波长 满足以下不满足以下不 等式：等式： 靶物质中的杂质、缺陷等会影响其附近原子的能级状态

29、，靶物质中的杂质、缺陷等会影响其附近原子的能级状态， 使得电离过程复杂化。光电离主要适用于较冷的介质中初使得电离过程复杂化。光电离主要适用于较冷的介质中初 始载流子的萌生过程，而激光等离子体处于完全电离状态，始载流子的萌生过程，而激光等离子体处于完全电离状态， 光电离不是其形成的主要机制。光电离不是其形成的主要机制。 49行业材料 激光等离子体 激光等离子体 激光作用下靶蒸气的温度足够高时，热机制发生电离，激光作用下靶蒸气的温度足够高时，热机制发生电离， 这是由于热运动使得少致电子可能突破电离势束缚的结果。这是由于热运动使得少致电子可能突破电离势束缚的结果。 处于热力学平衡状态下的蒸气的电离度

30、可完全由其密度和处于热力学平衡状态下的蒸气的电离度可完全由其密度和 温度决定，温度上升电离度增加。温度决定，温度上升电离度增加。 部分电离的气体中入射激光能量被热激发原子通过束部分电离的气体中入射激光能量被热激发原子通过束 缚缚自由机制和离子通过逆韧致机制所吸收。气体吸收激自由机制和离子通过逆韧致机制所吸收。气体吸收激 光能量而升温，并导致电离度和吸收系数进一步增大，这光能量而升温，并导致电离度和吸收系数进一步增大，这 种正反馈有助于在蒸气中形成等离子体。种正反馈有助于在蒸气中形成等离子体。 50行业材料 激光等离子体 激光等离子体 当气体充分电离，逆韧致过程成为吸收激光的主要机制。当气体充分

31、电离，逆韧致过程成为吸收激光的主要机制。 极高光强辐照下，很高温度的等离子体又变得透明，入射激极高光强辐照下，很高温度的等离子体又变得透明，入射激 光又可直接作用到稠密靶介质表面光又可直接作用到稠密靶介质表面( (临界面临界面) )上，凝聚态和等上，凝聚态和等 离子体态之间的严格界限消失。离子体态之间的严格界限消失。 激光束只能在等离子体频率低于激光频率的密度较低的等激光束只能在等离子体频率低于激光频率的密度较低的等 离子体离子体( (晕区晕区) )中传播，在临界面附近等离子体密度骤升为其中传播，在临界面附近等离子体密度骤升为其 临界值，此处成为主要的激光吸收面。电子热传导是将沉积临界值，此处

32、成为主要的激光吸收面。电子热传导是将沉积 的激光能量从临界面向稠密介质的激光能量从临界面向稠密介质( (烧蚀区烧蚀区) )传输的主要途径，传输的主要途径， 这个区内电离的主要机制将是碰撞电离。这个区内电离的主要机制将是碰撞电离。 51行业材料 激光等离子体 激光等离子体 碰撞电离 当自由电子的能量足够高它撞击原子时深层束缚电子将可能被电离。激当自由电子的能量足够高它撞击原子时深层束缚电子将可能被电离。激 光加热电子和离子达到动力学平衡的弛豫时间不同，首先被加热的是电子。光加热电子和离子达到动力学平衡的弛豫时间不同，首先被加热的是电子。 由于电子与离子的质量悬殊太大，它们之间每次碰撞可交换的能量

33、份额过由于电子与离子的质量悬殊太大，它们之间每次碰撞可交换的能量份额过 小，所以电子小，所以电子电子和离子电子和离子离子交换能量的过程要比电子离子交换能量的过程要比电子离子过程快。离子过程快。 三个过程的弛豫时间分别是三个过程的弛豫时间分别是tee， tii ， tie 52行业材料 激光等离子体 激光等离子体 53行业材料 激光等离子体 激光等离子体 54行业材料 激光等离子体 激光等离子体 55行业材料 激光等离子体 激光等离子体 56行业材料 激光等离子体 激光等离子体 4 42 2激光在等离子体中的传播和吸收激光在等离子体中的传播和吸收 4 42 21 1激光在等离子体中的传播激光在等

34、离子体中的传播 57行业材料 激光等离子体 激光等离子体 激光产生的等离子体的电子密度通常是不均匀的，激光产生的等离子体的电子密度通常是不均匀的， 激光传播方向和等离子体电子密度梯度方向一致激光传播方向和等离子体电子密度梯度方向一致 时称为时称为正入射正入射，否则称为，否则称为斜入射斜入射。 激光电场强度激光电场强度E E的方向称为激光的极化方向。如果激光是的方向称为激光的极化方向。如果激光是 线极化的，且极化方向处于激光传播方向和等离子体电子线极化的，且极化方向处于激光传播方向和等离子体电子 密度梯度方向组成的平面内，这种情形称为密度梯度方向组成的平面内，这种情形称为P P极化极化；极化；极

35、化 方向和这个平面垂直的情形称为方向和这个平面垂直的情形称为s s极化极化。 正入射的激光束可以到达临界面，并在此面发生反射。假正入射的激光束可以到达临界面，并在此面发生反射。假 定激光不被等离子体吸收。定激光不被等离子体吸收。 保持为常数，在临界面附近保持为常数，在临界面附近 VgVg变得很小，激光电场强度量则变得很大，产生的光压正变得很小，激光电场强度量则变得很大，产生的光压正 比于比于 斜入射激光束不能达到临界面，而在某个低于临界电子密斜入射激光束不能达到临界面，而在某个低于临界电子密 度的地方转向，此处称为折返点，电子密度为度的地方转向，此处称为折返点，电子密度为B26B26，6 6是

36、激是激 光束的入射角。光束的入射角。 58行业材料 激光等离子体 激光等离子体 1 1、传播方程、传播方程 59行业材料 激光等离子体 激光等离子体 等离子体的平均电流密度等离子体的平均电流密度 电子和离电子和离 子的粒子子的粒子 数密度和数密度和 速度则由速度则由 流体力学流体力学 方程组给方程组给 出出： 60行业材料 激光等离子体 激光等离子体 61行业材料 激光等离子体 激光等离子体 62行业材料 激光等离子体 激光等离子体 2、几何光学近似 实际问题中往往需要将激光的传播、吸收规律和多维流体实际问题中往往需要将激光的传播、吸收规律和多维流体 力学方程组联立求解，此时应借助于一些简化、

37、近似的方法。力学方程组联立求解，此时应借助于一些简化、近似的方法。 最简单的方法就是几何光学近似，目前几乎在所有激光与等最简单的方法就是几何光学近似，目前几乎在所有激光与等 离子体相互作用的二、三维数值模拟中都使用这一方法。离子体相互作用的二、三维数值模拟中都使用这一方法。 63行业材料 激光等离子体 激光等离子体 光路追踪方程可以写成正则方程的形式：光路追踪方程可以写成正则方程的形式： 64行业材料 激光等离子体 激光等离子体 3、 假定在一维情况下，激光传播方程具有解假定在一维情况下，激光传播方程具有解： 振幅振幅f f的方程：的方程： 温侧温侧-克喇末克喇末-布里渊近似法布里渊近似法 6

38、5行业材料 激光等离子体 激光等离子体 2 2、等离子体对激光的吸收、等离子体对激光的吸收 等离子体通过多种机制吸收在其中传播的激光束等离子体通过多种机制吸收在其中传播的激光束 的能量，使自己的温度升高、电离度增大。的能量，使自己的温度升高、电离度增大。 吸收激光的机制可以分为吸收激光的机制可以分为正常吸收正常吸收与与反常吸收反常吸收两两 大类。大类。正常吸收也就是逆韧致吸收正常吸收也就是逆韧致吸收，是指处在激，是指处在激 光电场中的电子被激励发生高频振荡，并且以一光电场中的电子被激励发生高频振荡，并且以一 定概率与粒子定概率与粒子( (主要为离子主要为离子) )相碰撞，把能量交给相碰撞，把能

39、量交给 比较重的粒子比较重的粒子( (离子、原子离子、原子) )，从而使等离子体升，从而使等离子体升 温的过程。温的过程。 66行业材料 激光等离子体 激光等离子体 逆韧致吸收又可分为线性逆韧致吸收又可分为线性( (电子速度分布为麦克斯电子速度分布为麦克斯 韦分布韦分布) )与非线性与非线性( (电子速度分布函数与激光电场电子速度分布函数与激光电场 有关有关) )两类，非线性情况发生在激光电场足够高时。两类，非线性情况发生在激光电场足够高时。 反常吸收反常吸收是指通过多种非碰撞机制，使激光能量是指通过多种非碰撞机制，使激光能量 转化为等离于体波能量的过程。这些波所携带的转化为等离于体波能量的过

40、程。这些波所携带的 能量，通过各种耗散机制转化为等离子体的热能，能量，通过各种耗散机制转化为等离子体的热能， 也会使等离子体升温。也会使等离子体升温。 67行业材料 激光等离子体 激光等离子体 反常吸收又可分为反常吸收又可分为共振吸收和多种非线性参量不稳定共振吸收和多种非线性参量不稳定 性产生的吸收性产生的吸收两类。两类。 共振吸收共振吸收是在临界面附近将是在临界面附近将P P极化激光束的能量转换极化激光束的能量转换 为电子波能量，参量不稳定性则可视为激光衰变为其为电子波能量，参量不稳定性则可视为激光衰变为其 他波的过程，包括不同于激光频率的电磁波他波的过程，包括不同于激光频率的电磁波( (称

41、为称为散散 射射) )。 此外，激光束还可以在等离子体中自聚焦，甚至变为此外，激光束还可以在等离子体中自聚焦，甚至变为 一根根的丝一根根的丝( (成丝现象成丝现象) )。这些相互作用不是孤立的，。这些相互作用不是孤立的， 往往存在相互竞争和耦合。对于短波长激光往往存在相互竞争和耦合。对于短波长激光(0.35(0.35 m m) ) 碰撞吸收是主要的，它抑制了其他吸收过程。碰撞吸收是主要的，它抑制了其他吸收过程。 68行业材料 激光等离子体 激光等离子体 (1)逆韧致吸收逆韧致吸收 逆韧致吸收是由电子逆韧致吸收是由电子离子碰撞引起的就是在离子碰撞引起的就是在 激光高频电场中振荡的电子由于和离子碰

42、撞而失激光高频电场中振荡的电子由于和离子碰撞而失 去规则的振荡能量，使离子获得能量的过程。去规则的振荡能量，使离子获得能量的过程。 电子在激光电场中的振动速度正比于电子在激光电场中的振动速度正比于I I ，其动，其动 能正比于能正比于I I 2 2，I I为激光强度。为激光强度。 69行业材料 激光等离子体 激光等离子体 激光传播单位长度后的强度损失为激光传播单位长度后的强度损失为 70行业材料 激光等离子体 激光等离子体 （2 2）、共振吸收）、共振吸收 斜入射的斜入射的P P极化激光束在临界面附近可以发生极化激光束在临界面附近可以发生 共振吸收。共振吸收。临界面位于临界面位于x x0 0处

43、，假定等离子体电处，假定等离子体电 子密度只是在子密度只是在x x方向不均匀，当激光束传播到折方向不均匀，当激光束传播到折 返点时，激光电场方向正好就是电子密度梯度方返点时，激光电场方向正好就是电子密度梯度方 向。虽然折返点离临界面还有一定距离，从此点向。虽然折返点离临界面还有一定距离，从此点 到临界面激光电场强度逐渐衰减，但在临界面处到临界面激光电场强度逐渐衰减，但在临界面处 电场强度并不为零。电场强度并不为零。 71行业材料 激光等离子体 激光等离子体 沿着电子密度梯度方向的激光电场将导致等离子沿着电子密度梯度方向的激光电场将导致等离子 体电荷分离，引起等离子体振荡，其振荡频率恰好体电荷分

44、离，引起等离子体振荡，其振荡频率恰好 是激光频率，因此发生共振，使电场强度的振幅变是激光频率，因此发生共振，使电场强度的振幅变 得很大。得很大。 72行业材料 激光等离子体 激光等离子体 共振吸收是波的模式的一种转换共振吸收是波的模式的一种转换横向的电磁波横向的电磁波 变成了纵向的静电波。变成了纵向的静电波。此静电波将沿电子密度梯度此静电波将沿电子密度梯度 方向向低密度等离子体中传播，群速度逐渐增加，方向向低密度等离子体中传播，群速度逐渐增加， 电场强度的振幅逐渐减少。电场强度的振幅逐渐减少。 某些电子将在这个静电波的电场中得到加速，达到某些电子将在这个静电波的电场中得到加速，达到 很高的速度

45、。很高的速度。这些电子起初被束缚在静电波的势阱这些电子起初被束缚在静电波的势阱 中，由于共振电场强度很大，或者由于这个电场振中，由于共振电场强度很大，或者由于这个电场振 幅的衰减，这些电子的加速导致幅的衰减，这些电子的加速导致“波破裂波破裂”。 73行业材料 激光等离子体 激光等离子体 一个时空变化规则的波是由带电粒子的协一个时空变化规则的波是由带电粒子的协 调、规则的运动支持的，大量高能超热电调、规则的运动支持的，大量高能超热电 子的产生就破坏了这一规则运动，波本身子的产生就破坏了这一规则运动，波本身 也就不能维持而发生破裂，也就不能维持而发生破裂，释放出超热电释放出超热电 子子。估算表明，

46、当电子振荡速度达到共振。估算表明，当电子振荡速度达到共振 区的有效相速度时，超热电子就产生了。区的有效相速度时，超热电子就产生了。 共振吸收是产生超热电子的重要机制之一共振吸收是产生超热电子的重要机制之一。 74行业材料 激光等离子体 激光等离子体 4.34.3激光等离子体的实验和诊断技术激光等离子体的实验和诊断技术 激光等离子体性质及其各种辐射的实验与诊断是激光等离子体性质及其各种辐射的实验与诊断是 认识激光与等离子体相互作用的重要途径，诊断认识激光与等离子体相互作用的重要途径，诊断 技术的关键是了解微小尺度和快速变化物理过程技术的关键是了解微小尺度和快速变化物理过程 所要求的时空分辨率。所

47、要求的时空分辨率。 通常在超临界区使用通常在超临界区使用x x射线诊断，在次临界射线诊断，在次临界( (晕晕) )区区 主要使用光学诊断技术。主要使用光学诊断技术。 75行业材料 激光等离子体 激光等离子体 1 1、激光与等离子体非线性相互作用实验、激光与等离子体非线性相互作用实验 76行业材料 激光等离子体 激光等离子体 上图为我国上图为我国“神光神光I I”激光器上进行的非线性相激光器上进行的非线性相 互作用实验布置图。互作用实验布置图。 入射激光束经会聚透镜聚焦在靶上。用标定过的入射激光束经会聚透镜聚焦在靶上。用标定过的 带有红外高通滤光片带有红外高通滤光片(F2)(F2)的激光能量计，

48、测量打的激光能量计，测量打 靶透镜收集到的受激拉曼散射光能量。靶透镜收集到的受激拉曼散射光能量。 l5l5个标定过的带有红外高通滤光片个标定过的带有红外高通滤光片(F1)(F1)和和1.0531.053 m m 全反片的聚偏氟乙烯热释电探测器全反片的聚偏氟乙烯热释电探测器1 1和和2 2测量受激测量受激 拉曼散射光的角分布拉曼散射光的角分布 77行业材料 激光等离子体 激光等离子体 用光学多道分析器测量用光学多道分析器测量2 2 0 0( (由共振吸收或参量衰由共振吸收或参量衰 变不稳定性所产生变不稳定性所产生) )、3 3 0 2(2(由双等离子体衰变由双等离子体衰变 不稳定性所产生不稳定性

49、所产生) )和和 0 2( (由受激拉曼散射所产由受激拉曼散射所产 生生) )的谐波强度和波谱；的谐波强度和波谱； 用可见光条纹相机测量用可见光条纹相机测量2 2 0 0和和3 3 0 02 2谐波的时间特谐波的时间特 性；性； 用多个硅光二极管测量用多个硅光二极管测量2 0和和3 02谐波的角分布。谐波的角分布。 78行业材料 激光等离子体 激光等离子体 另外，利用多道滤波另外，利用多道滤波荧光谱仪测量荧光谱仪测量1.5-300Kev1.5-300Kev范范 围的硬围的硬x x射线谱，根据其斜率得到超热电子和极高射线谱，根据其斜率得到超热电子和极高 能电子的温度；能电子的温度； 利用利用Ga

50、AsGaAs二极管阵列探测器探测硬二极管阵列探测器探测硬x x射线射线(10-(10- 100kev)100kev)的角分布；的角分布； 再利用理论计算的超热电子与硬再利用理论计算的超热电子与硬x x射线转换系数以射线转换系数以 及及x x射线的传输系数，得到超热电子的能量。射线的传输系数，得到超热电子的能量。 79行业材料 激光等离子体 激光等离子体 80行业材料 激光等离子体 激光等离子体 2 Thomson散射散射 当外来电磁波入射到自由电子上时，电子作受迫当外来电磁波入射到自由电子上时，电子作受迫 振动，从而朝外辐射电磁波，这个过程可视作电振动，从而朝外辐射电磁波，这个过程可视作电 子对入射电磁波的散射，特别当相对论和量子