長脈沖激光輻照鋁合金產(chǎn)生激光吸收波的研究.pdf

1、大能量長脈沖激光輻照鋁合金靶材時，會產(chǎn)生以熱傳導(dǎo)和流體動力學(xué)機制傳播的沖擊波，即激光吸收波。激光吸收波產(chǎn)生過程包括溫升、熔蝕、等離子體產(chǎn)生等多個物理過程，且每個過程都會影響激光吸收波的產(chǎn)生和運動，所以在對激光吸收波的研究過程中要充分考慮每個物理過程。本文對單脈沖和脈沖串兩種模式下長脈沖激光作用鋁合金靶材產(chǎn)生激光吸收波的全過程進行了理論和實驗研究。
　　在理論研究方面，建立了長脈沖激光作用鋁合金靶材產(chǎn)生激光吸收波的全過程的理論模型。

2、其中在模型的溫升部分，利用等效比熱容的方法對熔融和氣化后的相變問題進行處理，引入了隨溫度變化的熱導(dǎo)率、比熱容等函數(shù)，實現(xiàn)了對模型溫升部分的修正。在熔蝕部分，采用熱焓-孔隙法和氣體動力學(xué)法完整地描述了熔化和氣化兩階段相變，從而解決了熔融和噴濺過程中氣液界面階躍不平滑以及質(zhì)量不守恒的問題。又利用改進的水平集法完成了對氣液交界面的追蹤,考慮了熔蝕所產(chǎn)生的孔徑效應(yīng)對入射激光能量密度的影響，推導(dǎo)出作用到靶材的激光能量密度隨鋁合金靶材熔蝕狀態(tài)變化的

3、規(guī)律，實現(xiàn)了對熔蝕出現(xiàn)后作用激光能量密度的修正。在激光吸收波部分，考慮了逆韌致輻射、熱輻射、熱傳導(dǎo)和熱對流的能量平衡過程和等離子屏蔽現(xiàn)象，得到了激光吸收波產(chǎn)生后作用在鋁合金表面上激光能量的變化情況，實現(xiàn)了對該部分模型作用激光能量密度的修正。
　　仿真研究方面，在理論模型的基礎(chǔ)上建立了長脈沖激光輻照鋁合金產(chǎn)生激光吸收波的全過程仿真模型，開展了單脈沖和脈沖串兩種激光模式下的模擬仿真研究。在單脈沖條件下得到了長脈沖激光作用鋁合金靶材后靶

4、材的溫升、熔蝕深度和熔蝕半徑、等離子體密度、激光吸收波閾值和速度隨能量密度和脈寬的變化規(guī)律及其產(chǎn)生原因。給出了聚焦激光作用條件下激光吸收波的速度矢量湍流分布的規(guī)律。并對激光吸收波的能量平衡過程和傳播機制進行了理論分析。在脈沖串條件下得到了鋁合金靶材的溫升、熔蝕深度和熔蝕半徑隨脈沖個數(shù)的變化規(guī)律，以及激光吸收波產(chǎn)生時間隨脈沖個數(shù)和脈沖頻率的變化規(guī)律，并分析了產(chǎn)生原因。
　　實驗研究方面，開展了溫升、熔蝕、激光吸收波產(chǎn)生和運動的實驗研

5、究。得到了單脈沖條件下，長脈沖激光輻照鋁合金的溫升、熔蝕深度和熔蝕半徑、等離子體密度和激光吸收波的閾值和速度隨能量密度和脈寬的變化規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，針對脈沖串條件下溫升、熔蝕深度和熔蝕半徑隨脈沖個數(shù)的變化規(guī)律和激光吸收波產(chǎn)生時間隨脈沖個數(shù)和脈沖頻率的變化規(guī)律進行了研究。并且根據(jù)不同時刻的激光吸收波的陰影圖得到了激光吸收波呈湍流分布的現(xiàn)象。對比實驗與仿真研究的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)兩者在規(guī)律上是幾乎相同的，說明本文建立的模型可以合理地描述長脈沖激光