激光与物质相互作用课件.ppt

第2章 激光熔融与气化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，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，表面将发生汽化现象。,1 激光熔融现象,当激光致使材料表面的温度达到其熔点时，材料表面已有部分被熔化而且熔化区的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；其次材料的热导率在熔化前后将成倍的变化。,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）也均匀地出现在某一平面上，并假设等温面z（t），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律升高，但表面温度达到熔点Tm，等温面(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光功率密度和材料的固相、液相的热力学参数。,式中下标1，2分别表示液相和固相，Tn代表融化温度；Ll为材料的熔化潜热；t是熔化开始后的时间。,tn是激光照射材料表面到材料熔化所需的时间,对于大多数金属而言，,近似成立，所以溶化波前的深度为,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达到气化温度，以获取最大的熔化深度。,溶蚀时间tn可由热平衡方程近似出,第2节 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:首先，靶表面达到熔点温度时，就形成一个熔融层，然后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、气化质量的动能和喷溅蒸气的热量，其余部分传给靶材。最后，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。,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计算蒸气压力,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发状态，另外随着蒸气密度的加大，逆韧致辐射过程加强了。,考虑熔融潜热,稳态蒸发解为,铝靶吸收了功率密度为107W/cm2的激光后温度分布,第3节 靶材气化时的Knudsen(克努森)层,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.而且这些气化粒子的速度方向均是离开靶表面方向。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Knudsen层。,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来处理，那么1mol理想气体内能为,代入分布函数式并积分，得到Knudsen层的质量、动量、能量守恒方程,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。,Knudsen层的蒸气马赫数Ma为,马赫数:Mach number 定义1：在某一介质中物体运动的速度与该介质中的声速之比。定义2：流场中某点的速度与该点处的声速之比,第4节Knubsen层外的蒸气流动,五条假没:1)作用激光近似作为顶帽型(top-hat)处理。2)激光脉冲开始时，就有蒸发现象 3)激光脉冲期间，靶表面靶物质喷溅是稳定的。4)靶周围气体均匀且静止。5)与气体喷溅速度相比，靶表面后退速率很慢,整个区域分为三部分，1、表示稳态气体，2、表示受扰动气体;3、为Knudsen层邻近气体,冲击波后的气体速度,Ma3表示接触间断面蒸气中的马赫数,代入V2,饱和蒸气压力和Knudsen层温度Ts的函数关系,第5节 气化时间的估计,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d,:的金属所需时间可由能量守恒定律推得,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。,激光加热靶材且至气化过程中，有两个非常重要的物理量：激光与靶材的热耦合系数，激光能量中被转化为靶的热能的部分。质量迁移率：m/E，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、光斑大小及材料本身的特性等都有关。,调Q或锁模激光，m/E的值在1-10g/J，而对自由振荡脉冲激光、其脉宽为毫秒量级m/E 为102g/J数量级,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起到决定性的作用。,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;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。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,当蒸气压力大于环境压力、出现非饱和气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衡的过渡区，称为克努森层。,第4章 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一等离子体。本章将从蒸气的电离、saha方程、流体动力学等角度去揭示等离子体的点燃机理。,41 等离子体的特性和产生机制,411等离子体的特性 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(约10eV左右)，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。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、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。等离子体则是一种电荷之间静电(库仑)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动形态是各种波动。,等离子体的一般特性有：(1)电准中性 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。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。(2)强导电性 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。(3)与磁场发生相互作用 利用磁场可以控制等离子体的位置、形状与运动。(4)集体相互作用 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。,集体相互作用中，最基本的是Iangmuir波，称为Iangmuir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:,静电波有两种极端的情况,无磁场时等离子体波的色散曲线,沿磁场方向传播的等离于体波色散曲线,等离子体按温度高低可分为：,(1)低温等离子体 温度为室温到3104K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。热等离子体的重粒子温度约3l04K，基本处于热平衡状态；冷等离子体的重粒子温度低(可低至室温)，而电子温度为l04K左右，是远离热平衡的状态。,(2)高温等离子体温度为106-108K，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.,沿垂直于磁场方向传播的等离子体波色散曲线,412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、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，使部分靶介质转变为等离子体状态的主要机制是：(1)光电离 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。(2)热电离 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原子发生电离。(3)碰撞电离 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能量而发生电离。,各种等离子体的参数范围日面等离子体：1冕洞；2凝聚区；3耀斑爆发区；4冕色过渡区；5色球层；6日珥；7针状物；8一耀斑。,光电离: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。发生单光子吸收的条件相当于要求激光波长满足以下不等式：,靶物质中的杂质、缺陷等会影响其附近原子的能级状态，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，光电离不是其形成的主要机制。,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。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。部分电离的气体中入射激光能量被热激发原子通过束缚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，这种正反馈有助于在蒸气中形成等离子体。,当气体充分电离，逆韧致过程成为吸收激光的主要机制。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(临界面)上，凝聚态和等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离子体(晕区)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的激光能量从临界面向稠密介质(烧蚀区)传输的主要途径，这个区内电离的主要机制将是碰撞电离。,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份额过小，所以电子电子和离子离子交换能量的过程要比电子离子过程快。三个过程的弛豫时间分别是tee，tii，tie,42激光在等离子体中的传播和吸收,421激光在等离子体中的传播,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时称为正入射，否则称为斜入射。激光电场强度E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密度梯度方向组成的平面内，这种情形称为P极化；极化方向和这个平面垂直的情形称为s极化。正入射的激光束可以到达临界面，并在此面发生反射。假定激光不被等离子体吸收。保持为常数，在临界面附近Vg变得很小，激光电场强度量则变得很大，产生的光压正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度的地方转向，此处称为折返点，电子密度为B26，6是激光束的入射角。,1、传播方程,等离子体的平均电流密度,电子和离子的粒子数密度和速度则由流体力学方程组给出：,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离子体相互作用的二、三维数值模拟中都使用这一方法。,光路追踪方程可以写成正则方程的形式：,3、,假定在一维情况下，激光传播方程具有解：,振幅f的方程：,温侧-克喇末-布里渊近似法,2、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正常吸收与反常吸收两大类。正常吸收也就是逆韧致吸收，是指处在激光电场中的电子被激励发生高频振荡，并且以一定概率与粒子(主要为离子)相碰撞，把能量交给比较重的粒子(离子、原子)，从而使等离子体升温的过程。,逆韧致吸收又可分为线性(电子速度分布为麦克斯韦分布)与非线性(电子速度分布函数与激光电场有关)两类，非线性情况发生在激光电场足够高时。反常吸收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。,反常吸收又可分为共振吸收和多种非线性参量不稳定性产生的吸收两类。共振吸收是在临界面附近将P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他波的过程，包括不同于激光频率的电磁波(称为散射)。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(成丝现象)。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(0.35m)碰撞吸收是主要的，它抑制了其他吸收过程。,(1)逆韧致吸收,逆韧致吸收是由电子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撞而失去规则的振荡能量，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I，其动能正比于I 2，I为激光强度。,激光传播单位长度后的强度损失为,（2）、共振吸收,斜入射的P极化激光束在临界面附近可以发生共振吸收。临界面位于x0处，假定等离子体电子密度只是在x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，但在临界面处电场强度并不为零。,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，其振荡频率恰好是激光频率，因此发生共振，使电场强度的振幅变得很大。,共振吸收是波的模式的一种转换横向的电磁波变成了纵向的静电波。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，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，达到很高的速度。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幅的衰减，这些电子的加速导致“波破裂”。,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，释放出超热电子。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。共振吸收是产生超热电子的重要机制之一。,4.3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所要求的时空分辨率。通常在超临界区使用x射线诊断，在次临界(晕)区主要使用光学诊断技术。,1、激光与等离子体非线性相互作用实验,上图为我国“神光I”激光器上进行的非线性相互作用实验布置图。入射激光束经会聚透镜聚焦在靶上。用标定过的带有红外高通滤光片(F2)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。l5个标定过的带有红外高通滤光片(F1)和1.053m全反片的聚偏氟乙烯热释电探测器1和2测量受激拉曼散射光的角分布,用光学多道分析器测量20(由共振吸收或参量衰变不稳定性所产生)、3 0 2(由双等离子体衰变不稳定性所产生)和0 2(由受激拉曼散射所产生)的谐波强度和波谱；用可见光条纹相机测量20和302谐波的时间特性；用多个硅光二极管测量20和302谐波的角分布。,另外，利用多道滤波荧光谱仪测量1.5-300Kev范围的硬x射线谱，根据其斜率得到超热电子和极高能电子的温度；利用GaAs二极管阵列探测器探测硬x射线(10-100kev)的角分布；再利用理论计算的超热电子与硬x射线转换系数以及x射线的传输系数，得到超热电子的能量。,2 Thomson散射,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，这个过程可视作电子对入射电磁波的散射，特别当相对论和量子效应可忽略的情况称为Thomson散射。对于非偏振的探测光波,Thomson散射的总裁面仅为6.2510-25cm-2，只有用强度很高的激光束作为探针，才能探测到这种散射。,利用等离子体对探针激光束的Thomson散射，能够测量具有时空分辨的电子温度Te和离子温度Ti。探针激光束的波矢和频率分别为Kpr和pr，它被等离子体电子密度涨落所散射，产生一个散射信号。低频(即离子声波)的涨落的散射信号频率与探针激光频率的差异很小，因此散射涨落的波矢可表示为,单位频率区间和单位立体角内散射光的功率为,Anm表示由n态到m态的自发跃迁几率，D为观察方向的等离子体厚度，Enm是自发跃迁光子能量。可获得同一电离度下离子的两条跃迁谱线强度比与电子温度的关系：,只要测出两条谱线的强度比，将带各种下标参数代入上式便可得到电子温度Te。对于不同电离度的两条离子跃迁谱线强度比与电子温度关系,4光学干涉仪,为了正确地还原电子密度分布图，必须十分注意消除干涉条纹图中的“噪声”，并使干涉条纹间的反差达到最大。例如用脉宽19ps、波长355nm的激光束为探针光，可用电子学设备调节它与主激光脉冲之间的时间延迟。探针光束垂直于主激光轴入射到等离子体中，载有等离子体信息的干涉光束被传输到折叠波前干涉仪，然后记录在一台静电成像相机的底片上。,使用这种方法，原则上可以探测到9x1021/cm3的电子密度区。但是激光等离子体的电子密度梯度较陡，通过较高密度区域的大部分探针光线可能折射出光学干涉仪的收集范围之外，加之在这个区域干涉条纹边缘很接近，由于等离子体膨胀速度较高而变得模糊不清。,