飞秒激光烧蚀金属靶的冲击温度

在明确飞秒激光与物质相互作用过程冲击温度概念的基础上, 讨论了飞秒激光烧蚀铝靶和铜靶过程中的冲击温度与其他物理量的关系, 利用飞秒激光烧蚀金属的双温模型提取了冲击温度的绝对值, 基于非傅里叶热传导模型计算了冲击温度的分布. 此项研究结果对飞秒激光安全加工含能材料有借鉴意义. 关键词： 飞秒激光 含能材料 烧蚀 冲击温度     

飞秒激光精细加工含能材料

介绍了飞秒激光脉冲特点及其与物质相互作用机理, 论述了飞秒激光微加工含能材料技术特点及优势, 综述了飞秒激光加工含能材料技术及发展. 讨论了飞秒激光加工含能材料技术进一步发展所需的实验与理论研究工作以及相应的研究方案和关键技术. 关键词： 飞秒激光微加工 含能材料 冲击温度 冲击压强     

单脉冲飞秒激光烧蚀炸药过程的热效应研究

飞秒激光能够在极短时间内烧蚀炸药产生高温高压等离子体。可以利用飞秒激光对含能材料或含能元器件进行精密加工。深入认识飞秒激光烧蚀炸药过程中，炸药内部的热效应是发展飞秒激光加工炸药技术的基础。建立了单脉冲飞秒激光烧蚀炸药过程的流固耦合计算模型，考虑了在高温高压等离子体和炸药自热反应的共同作用下，炸药内部的热效应。对飞秒激光烧蚀TNT炸药过程进行了流体力学数值模拟。计算结果表明:TNT炸药中未烧蚀区域产生了热效应，峰值温度高于TNT炸药的点火温度，但由于炸药内热效应区域极小，高温持续时间极短，因此炸药内温度迅速下降，没有发生点火现象。     

基于双相延迟模型的飞秒激光烧蚀金属模型

为了分析飞秒激光烧蚀过程,在双相延迟模型的基础上建立了双曲型热传导模型.模型中考虑了靶材的加热、蒸发和相爆炸,还考虑了等离子体羽流的形成和膨胀及其与入射激光的相互作用,以及光学和热物性参数随温度的变化.研究结果表明:等离子体屏蔽对飞秒激光烧蚀过程有重要的影响,特别是在激光能量密度较高时;两个延迟时间的比值对飞秒激光烧蚀过程中靶材的温度特性和烧蚀深度有较大的影响;飞秒激光烧蚀机制主要以相爆炸为主.飞秒激光烧蚀的热影响区域较小,而且热影响区域的大小受激光能量密度的影响较小.计算结果与文献中实验结果的对比表明基于双相延迟模型的飞秒激光烧蚀模型能有效对飞秒激光烧蚀过程进行模拟.     

激光辐照固体靶产生等离子体反冲研究

提出一种通过诊断等离子体反冲动量来计算激光加载产生冲击压强的方法. 当强激光辐照固体靶表面时, 所产生的高速喷射的等离子体对靶具有反冲作用, 通过诊断等离子体反冲动量的变化可以计算激光辐照固体靶产生的冲击压强变化. 本文利用辐射流体力学软件研究了这种诊断方法, 模拟采用的激光功率密度为5×10¹²-5×10¹³ W/cm², 激光脉宽选取纳秒量级. 模拟结果表明该方法是有效且可行的.     

飞秒激光烧蚀典型金属表面产生冲击波膨胀研究

利用时间分辨阴影成像技术进行飞秒激光烧蚀金属表面研究可以直观获取飞秒激光烧蚀金属表面产生冲击波膨胀过程的图像。通过对比飞秒激光烧蚀金属铝、铜、铁靶表面的冲击波膨胀形式发现:金属铜、铁表面的冲击波均以球面波形式传播;由于受到烧蚀物质喷溅的影响,铝靶表面竖直方向的冲击波传播形式由球面波转化为柱面波。     

激光脉冲波形对烧蚀Si靶表面温度的影响

利用双温方程对激光烧蚀Si靶的过程进行了数值模拟,并结合合适的初始条件和边界条件,研究了在飞秒、皮秒激光作用下,脉冲波形(矩形、梯形、三角形和高斯形)对Si靶表面载流子和晶格温度分布的影响。结果表明:激光功率密度是影响载流子温升的主要因素,矩形脉冲激光烧蚀Si靶表面载流子的峰值温度最高,而高斯分布的脉冲引起靶面载流子峰值温度最低。可见,激光脉冲波形对Si靶表面载流子的温度分布具有重要影响。所得结果可为制备高质量的薄膜提供理论依据。     

飞秒激光烧蚀齿曲面的复耦合模型及形貌影响

针对飞秒激光烧蚀齿曲面过程中能量累积效应与变离焦效应对齿面形貌与烧蚀尺寸的影响问题,建立飞秒激光烧蚀复耦合模型,通过有限差分法求解得到激光烧蚀面齿轮材料18Cr2Ni4WA的电子与晶格在不同的脉宽与能量密度下的温度变化分布,对烧蚀凹坑的深度及半径进行仿真。考虑激光束在加工齿面时,与被加工齿面之间存在倾斜角,根据光斑能量分布方式得到齿面底角与激光能量的定量关系,结合焦半径与折射率的变化,对飞秒激光烧蚀齿面深度、半径与形貌进行研究。通过实验得到当激光能量密度为1.783 J/cm²且被加工齿面底角过大时,激光能量降低烧蚀过程只发生在材料表面;当能量密度为2.376 J/cm²、激光脉冲数为3 000时,烧蚀凹坑的微结构细密良好。研究结果表明飞秒激光烧蚀曲面时,激光有效能量随着倾斜角的变化降低,同时激光光斑的能量分布影响了烧蚀凹坑深度的变化,可为提高飞秒激光加工齿曲面质量提供参考。     

气流对飞秒激光加工炸药装药过程的热安全性影响分析

由于炸药具有热传导系数小、对温度极其敏感的特点,在使用多脉冲飞秒激光对其进行持续加工时,极有可能在炸药内形成热累积,从而导致点火、燃烧等危险事件的发生。为了降低激光加工材料过程中的热效应,人们普遍采取在材料加工表面施加气流的方法。为了研究加载气流条件下,炸药装药在飞秒激光作用下产生的烧蚀产物的运动规律以及炸药装药内部的温度变化,建立了加载气流条件下飞秒激光加工炸药装药过程的二维流固耦合计算模型,对在单侧、双侧不同入射角度的亚音速气流作用下,飞秒激光加工奥克托今（HMX）炸药装药的过程进行了数值模拟计算。计算结果表明：单侧气流会在炸药加工表面形成漩涡流,导致烧蚀气体产物在炸药表面做旋转运动,加重了烧蚀产物对炸药的热影响;双侧气流会在远离炸药加工表面的地方形成较大的漩涡流,从而使烧蚀气体产物迅速离开炸药加工表面,有效降低了炸药的温度,提高了飞秒激光加工炸药装药过程的安全性。     

大气环境下飞秒激光对铝靶烧蚀过程的研究

利用时间分辨的光阴影成像技术研究了在大气环境下飞秒激光烧蚀铝靶的动态过程. 在入射激光能量为4 mJ, 激光光斑超过1 mm时, 激光烧蚀区表面物质以近似平面冲击波形式向外喷射; 在同样激光能量下、激光光斑较小时(约0.6 mm), 激光烧蚀区以近似半球型冲击波形式向外喷射. 当激光能量比较大时(7 mJ), 发现空气的电离对于激光烧蚀靶材有着重要影响. 在光轴附近烧蚀产生的喷射物具有额外的柱状和半圆型的结构, 叠加在平面冲击波结构上.     

飞秒激光在铝膜中驱动冲击波的特性

为探索研究飞秒激光在材料中驱动冲击波的相关特性,采用激光脉冲频域干涉测试技术对脉冲宽度35fs、脉冲能量0.7mJ、功率密度1014W/cm2量级的飞秒激光脉冲在200nm厚铝膜中驱动冲击波的过程进行了实验测量。通过测量冲击波在铝膜中的渡越时间,获得激光脉冲在铝材料中驱动的冲击波平均速度约为6km/s;通过对不同时刻铝膜自由面频域干涉场测量结果的分析,获得铝材料自由表面速度达1km/s,根据平面冲击波的关系,推算其冲击压强达到9GPa。     

Numerical modeling of laser shock peening with femtosecond laser pulses and comparisons to experiments

A physics-based model has been developed for laser shock peening (LSP) with femtosecond (fs) laser pulses (fs-LSP), which has never been reported in literature to the authors’ best knowledge. The model is tested by comparing simulations with measured plume/shock wave front transient propagations and the LSP-induced hardness enhancement layer thickness. Reasonably good agreements have been obtained. The model shows that fs-LSP can produce much higher pressure than LSP with nanosecond (ns) laser pulses (ns-LSP), and it can also generate very large compressive residual stress in the workpiece near-surface layer with a thickness up to ∼100 μm. The developed model provides a powerful guiding tool for the fundamental study and the practical applications of fs-LSP. This study, together with the recently reported work by Nakano et al. [Journal of Laser Micro/Nanoengineering 4(1) (2009) 35-38], has confirmed the feasibility of fs-LSP on both theoretical and experimental sides.     

激光等离子体去除微纳颗粒的热力学研究

微杂质污染一直是影响精密器件制造质量和使用寿命的关键因素之一.对于微纳米杂质颗粒用传统的清洗方式(超声清洗等)难以去除,而激光等离子体冲击波具有高压特性,可以实现纳米量级杂质颗粒的去除,具有很大的应用潜力.本文主要研究了激光等离子体去除微纳米颗粒过程中的热力学效应:实验研究了激光等离子体在不同脉冲数下对Si基底上Al颗粒去除后的颗粒形貌变化,发现大颗粒会发生破碎而转变成小颗粒,一些颗粒达到熔点后发生相变形成光滑球体,这源于等离子体的热力学效应共同作用的结果.为了研究微粒物态转化过程,基于冲击波传播理论研究,得到冲击波压强与温度特性的演化规律;同时,利用有限元模拟方式研究激光等离子冲击波压强和温度对微粒作用规律,得到了颗粒内随时间变化的应力分布和温度分布,并在此基础上得到等离子体对颗粒的热力学作用机制.     

Simulation of Electron Temperature in Argon Clusters Subjected to Intense Laser Fields

Argon clusters subjected to intense femtosecond laser pulses are ionized by the optical fields and inelastic electron-ion collisions. The cluster plasmas absorb the laser energy through collisional inverse bremsstrahlung, leading the argon cluster plasmas to very hot states. The calculated electron temperature in the clusters indicates that the intense laser-cluster interactions are more energetic than interactions with molecules.     

Simulation of Electron Temperature in Argon Clusters Subjected to Intense Laser Fields

1　Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　　Ｔｈｅｕｌｔｒａｓｈｏｒｔｉｎｔｅｎｓｅｌａｓｅｒｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｓｗｉｔｈａｔｏｍｉｃｃｌｕｓｔｅｒｓｈａｖｅａｔｔｒａｃｔｅｄｍｕｃｈａｔｔｅｎｔｉｏｎｉｎｒｅｃｅｎｔｙｅａｒｓ[1].Ｔｈｅａｔｏｍｉｃｃｌｕｓｔｅｒｃｏｎｔａｉｎｓａｆｅｗｔｏｍｉｌｌｉｏｎｓｏｆａｔｏｍｓａｎｄｔｈｕｓａｐｐｅａｒｓｔｏｂｒｉｄｇｅｔｈｅｇａｐｂｅｔｗｅｅｎａｍｏｌｅｃｕｌａｒａｎｄａｂｕｌｋｓｏｌｉｄｓｔａｔｅｆｏｒｍｏｆｍａｔｔｅｒ.Ｔｈｅｉｎｅｒｔｇａｓｃｌｕｓｔｅｒ…