激光烧蚀相关研究应用.doc
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1、单位代码10476学号分类号TN249研究生学位论文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:工学研究生申请人:郭荣基指引教师:彭玉峰 专家 二一五年五月STUDY OF THE IMPULSE COUPLING COEFFICIENT IN LASER ABLATION OF ALUMINUM AT DIFFERENT ENVIRONMENT A Dissertation Submitted to the Graduate School of Henan Normal Universityin Partial Fulfillment of t
2、he Requirementsfor the Degree of Master of Engineering Science ByGuo RongJiSupervisor:Prof. Peng YufengMay,摘 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。在不同环境条件下,通过实验研究激光能量密度和靶材料冲量耦合系数关系,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激光烧蚀铝靶冲量耦
3、合系数。实验测量办法为压电传感器测量,传感器为自主设计铝质探头。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)研究原则气压下铝靶冲量耦合系数和激光能量密度关系;(2)变化气压,测量相似能量密度下激光冲量耦合系数,研究气压对烧蚀铝靶影响;(3)变化激光能量密度、研究激光能量密度对烧蚀铝靶面半径影响。在液体环境条件下,重要研究内容有:(4)水层厚度一定期,研究激光能量密度对铝靶冲量耦合系数影响;(5)研究激光在液体中聚焦位置对铝靶冲量耦合系数影响;(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。实验成果表白:气体环境中激光烧蚀铝靶,在变化激光能量密
4、度时,铝靶冲量耦合系数大小会受到激光烧蚀铝靶速率及等离子冲击波压强影响,并且存在烧蚀阈值时也会影响冲量耦合系数数值。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。实验发当前液体水柱中,聚焦位置距离靶面越远,铝靶冲量耦合系数越小,同步靶前靶后聚焦效果不同。最后实验还发现,在一定条件下,密度大液体介质冲量耦合系数大,并且冲量耦合系数还和电离限度难易关于。核心词:环境条件;激光烧蚀;激光能量密度;铝靶冲量耦合系数 ABSRTACTHigh energy impulse laser irradiation of solid me
5、tal 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
6、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 experimen
7、t 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
8、 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 targets ablation was studied;(3)When the laser energy density w
9、as 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 and the impulse coupling coefficient of aluminum target was researched under a certain layer thickness of water;(5)The i
10、nfluence of laser focus position in the water on the impulse coupling coefficient of aluminum target was studied;(6)The effect of different liquids characteristics on the impulse coupling coefficient of aluminum target was analyzed.The experiment results show that:When the ablation of aluminum targe
11、t 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 coefficien
12、t. 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
13、,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
14、is big,the value of the impulse coupling coefficient is big.Keywords:environmental conditions;laser ablation;the energy density of laser;the impulse coupling coefficient of aluminum target 第一章 绪 论1.1 前言自从激光器问世以来,人们就不断对激光和物质互相作用进行研究。激光作为一种强电磁波和物质作用,服从典型电磁场理论,同步也涉及量子领域。激光能作用物质很广泛,从固体物质到液态介质,再到气体物质等。并且
15、它以其光强大、单色性好、准直性好等长处在激光应用中得到推广。其中,激光在航天烧蚀推动1-5和液体环境下烧蚀材料6-9等方面研究取很大进展。激光在烧蚀方面应用,重要运用聚焦产生高能量密度激光来使靶材料受热、气化、蒸发,达到烧蚀材料目。对于烧蚀推动,重要运用激光烧蚀靶材料产生等离子体冲击压来使靶获得动量。普通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推力,冲量耦合系数为消耗单位能量所产生动量。激光和老式燃料推动相比长处是具备较高比冲,同步具备较大冲量耦合系数,并且能量造价低10;其缺陷是可提供激光器能量有限,无法满足长距离推动需要,某些材料抗烧蚀能力差,因而不
16、能取代既有火箭推动。对于激光烧蚀推动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 分别提出了光压推动思想。直到1960年,德国科学家Eugen Sanger 提出用泵浦固体激光器产生推动所需辐射压力。Myrabo,Leik N于1998年进行了太空推动实验11,从室外地面用激光推动飞行器到空中,对飞行高度进行测试研究。,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。Yabe,Takashi也进行了激光推动实验13,重
17、要分析了激光从大气层到外太空也许遇到各种状况。在太空中,激光推动效果演示如图1-1,其底部为高能量激光器,空中为类似于光帆航天器。图1-1 激光推动演示激光烧蚀推动是一种全新推动方式,它是运用高能激光和靶材料互相作用,将飞行器推动一定高度。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。在不同环境条件下,激光和固体材料靶作用冲击波会有相应形式。在气体中,重要有激光支持空气燃烧波(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,影响烧蚀成果15。在真空条件下,激光和靶材作用也会以此外形式存在16。激光和靶材料作用会通过环境介质,环境介
18、质变化会对靶材冲量耦合系数产生一定影响。常用环境影响因素有空气气压、液体密度,外界湿度、固体靶材料性质等。同步,激光器自身影响也存在,例如激光能量、光斑大小、脉冲宽度、激光波长等。初期人们重要从理论上对激光和靶材作用进行分析,日后随着技术发展逐渐有了某些实验研究。从理论上研究重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。实验重要探测激光烧蚀速率、固体靶比冲、冲量耦合系数等。随着研究进展,人们逐渐理解激光烧蚀及其产生动力学效应特点。1.2 研究状况人们对激光烧蚀固体靶研究重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研究,最早在1966年,Razer提出激光冲击下
19、气体加热和电离理论1,较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动量传递进行理论解释,并且讨论了空气冲击波一维和二维情形。在这一阶段关于激光推动研究重要集中在空气冲击波理论研究,而对激光纯烧蚀研究较少。直到1988年,Phipps,C. R.对激光在真空烧蚀材料进行研究,并且给出了某些烧蚀定律16。, Kedar Pathak研究了在浮现等离子体屏蔽时碳靶冲击波动力学模型14,并且给出烧蚀阈值时烧蚀速率与等离子体冲击波压力关系。Arun K. Upadhyay17于数值模仿分析了超短激光脉冲烧蚀碳原子层阈值产生过程。激光和固体靶作
20、用实验研究涉及很广,下面就简介某些关于气体中烧蚀及烧蚀推动等方面研究。美国学者Kantrowitz在1972年,最先从实验上对空气和真空中石墨靶和铝靶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取激光有很大关系。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,特别是实验测定了等离子体密度随时间延迟关系,较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
21、度对烧蚀速率影响、外界气压和烧蚀速率关系、靶材厚度与烧蚀速率关系、同步研究了在浮现和没有浮现烧蚀阈值是激光透射率。Sinko,John E在对激光烧蚀材料中各种参数进行从新评估,并提出减少实验中测量误差需要注意地方21。国内对激光烧蚀推动也有有关研究。1985年,周大正22用波长为2.8HF激光器研究固体表面爆轰波,同步测量激光引冲击波动量。,张树栋23研究了激光烧蚀铝靶等离子体辐射速度和产生冲击波,对等离子体径向速度随时间变化关系进行研究。,中科大童慧峰24研究激光烧蚀推动,通过激光束作用在单摆小球上,测量摆角,计算出小球冲量耦合系数。张端明25提出一种关于激光烧蚀和等离子体屏蔽效应新模型,
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