声光技术 05讲 激光致声基本原理

激光致声基本原理第05讲（2学时）2.3激光致声的介电击穿机制激光功率增加超过介电击穿阈值（107W/cm2）水分子离解原子离化水变成了等离子体按照等离子体规律继续吸收光能没有成熟的机制激光与等离子体的相互作用；介电击穿水中冲击波的压力。等离子体：等离子体又叫做电浆，是由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的正负电子组成的离子化气体状物质，它广泛存在于宇宙中，常被视为是除去固、液、气外，物质存在的第四态。Z-pinch放电①等离子体冶炼：用于冶炼用普通方法难于冶炼的材料。②等离子体喷涂：许多设备的部件应能耐磨耐腐蚀、抗高温，为此需要在其表面喷涂一层具有特殊性能的材料。③等离子体焊接：可用以焊接钢、合金钢；铝、铜、钛等及其合金。等离子体概念等离子体治疗仪成像放电过程中虽然电子温度很高，但重粒子温度很低，整个体系呈现低温状态，所以称为低温等离子体，也叫非平衡态等离子体；如果电子的温度和重粒子温度差不多，则为高温等离子体，或平衡态等离子体。

等离子体分类：等离子体特性：新一代的射频等离子体手术系统，可用于外科手术的软组织解剖、切除、消融、止血和干燥，可以与内窥镜系统配合进行腔内手术或与影像系统配合开展介入治疗。ITER项目——能源之路参与的7方磁体真空室法国厂址情况堆芯的等离子体核工业西南物理研究院中科院等离子体研究所强烈激光脉冲（橙黄色）通过振荡的电子与稳定氦离子产生一束等离子体波（白色，调整型表面）部分电子脱离等离子体波，随激光脉冲以光速呈现密集飞行（红色小球）日冕等离子体球体图片

太阳2.3.1激光与等离子体的相互作用等离子体振荡频率的由来和计算。光波在等离子体中的传播色散关系临界密度激光在等离子体中传播的逆韧致吸收逆韧致吸收：激光在等离子体中传播碰撞时的碰撞吸收。激光垂直入射时的非均匀等离子体的逆韧致吸收逆韧致吸收的WSK近似求解法斜入射且碰撞频率与密度有关时的逆韧致吸收阻尼率和碰撞频率的理论结果能量阻尼率

激光入射到水面上使水变成等离子体前，激光的能量已经遭受到了水表面的反射损失、水分子吸收损失、少量水汽化损失、水分子汽化对激光的屏蔽损失、水分子离解和原子离化引起的损失等等……

这些损失不会低于入射光总能量的30%，因而只有约70%的能量进入等离子体。具体的数据可以参考书上P33的表2-1和2-2。在给定条件下，越有20%-90%的激光能量被等离子体吸收，并且由于声波能量有50%转换成水下的声波，所以大约有7%-30%的激光能量转换成了水下声脉冲。2.3.2介电击穿水中冲击波的压力CO2与自由水表面相互作用时，介电击穿可以发生在水下、水面和空气中。大气中，CO2激光直径为0.3mm的光斑，使空气击穿的阈值是109W/cm2击穿阈值会随焦斑尺寸增大和空气中灰尘的存在而减小大能量CO2激光焦点在界面上方激光脉冲后沿被激光等离子体截断形成二次加热，产生短双极性声脉冲压力脉冲的幅度由激光脉冲前沿决定（可达数MPa）空气中也产生冲击波（可用爆炸波理论计算）在穿过界面时，冲击波压力有跳跃式增加激光束发散小在焦散附近诱发几个击穿中心每个击穿中心都变成一个冲击波中心激光束任何截面上的能量密度都达不到空气击穿阈值击穿发生在水表面（能量密度10-15J/cm2）伴有辉亮的闪光，并在水和空气中都产生冲击波在远大于能量沉淀区的距离上，冲击波的参数可以用空气球形爆炸理论和水下爆炸理论很好描述。下图:空气和水中冲击波波前上的压力pfr距爆炸中心的距离冲击波波前压力2.4光声能量转换效率热膨