激光与物质相互作用课件

激光等离子体•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。激光等离子体§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。激光等离子体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。激光等离子体22210122211,2,...()(),00,0(),0(,),0(,0)()(0)0limlimiilillllsnzzTTaitzLTTdztzzttzzdtTaPztzTTTzzttTTztTzTzTzz•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。激光等离子体2222204lnntAsTtaaP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，0.5llnLcT近似成立，所以溶化波前的深度为00.16()()AsnlaPztttL激光等离子体激光等离子体•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激光等离子体激光等离子体•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。激光等离子体激光等离子体•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激光等离子体•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。激光等离子体•考虑熔融潜热稳态蒸发解为激光等离子体激光等离子体铝靶吸收了功率密度为107W/cm2的激光后温度分布激光等离子体•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。激光等离子体激光等离子体在下面处理过程中，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理想气体内能为激光等离子体代入分布函数式并积分，得到Knudsen层的质量、动量、能量守恒方程激光等离子体激光等离子体•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。激光等离子体•Knudsen层的蒸气马赫数Ma为马赫数:Machnumber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激光等离子体•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激光等离子体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激光等离子体激光等离子体Ma3表示接触间断面蒸气中的马赫数代入V2激光等离子体激光等离子体•饱和蒸气压力和Knudsen层温度Ts的函数关系激光等离子体激光等离子体•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激光等离子体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。激光等离子体•调Q或锁模激光，m/E的值在1-10g/J，而对自由振荡脉冲激光、其脉宽为毫秒量级m/E为102g/J数量级激光等离子体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。激光等离子体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激光等离子体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。激光等离子体激光等离子体•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。激光等离子体4．1等离子体的特性和产生机制4．1．1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。激光等离子体•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。激光等离子体•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:激光等离子体•静电波有两种极端的情况激光等离子体无磁场时等离子体波的色散曲线激光等离子体沿磁场方向传播的等离于体波色散曲线激光等离子体•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3×104K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3×l04K，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。激光等离子体•(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激光等离子体激光等离子体•4．1．2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。激光等离子体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。激光等离子体•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。激光等离子体•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。激光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。激光等离子体•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激光等离子体激光等离子体激光等离子体激光等离子体激光等离子体•4．2激光在等离子体中的传播和吸收4．2．1激光在等离子体中的传播激光等离子体•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