激光與物質相互作用課件當前1頁，總共92頁。§1激光熔融現象當激光致使材料表面的溫度達到其熔點時，材料表面已有部分被熔化．而且熔化區的出現使熱傳導變得很復雜；原因主要因為材料熔化要吸收熔化熱；其次材料的熱導率在熔化前后將成倍的變化。當前2頁，總共92頁。等溫面傳播的最大距離為最大熔化深度，該物理量是激光焊接中的重要參數。為使問題簡化，在激光加熱和熔化期間材料的熱特性保持不變，且激光強度恒定，均勻地作用于材料表面，熔化（液相區）也均勻地出現在某一平面上，并假設等溫面z（t），邊界條件為：激光照射到材料表面時，材料表面溫度按熱傳導的規律升高，但表面溫度達到熔點Tm，等溫面(熔化波前)以一定的速度向材料內部傳播。其傳播速度取決于激光功率密度和材料的固相、液相的熱力學參數。

當前3頁，總共92頁。式中下標1，2分別表示液相和固相，Tn代表融化溫度；Ll為材料的熔化潛熱；t是熔化開始后的時間。當前4頁，總共92頁。tn是激光照射材料表面到材料熔化所需的時間

對于大多數金屬而言，近似成立，所以溶化波前的深度為

當前5頁，總共92頁。當前6頁，總共92頁。在所作用的激光脈寬一定時，應調整作用激光的功率密度，以便在激光脈沖結束時材料表面恰好達到氣化溫度，以獲取最大的熔化深度。溶蝕時間tn可由熱平衡方程近似出當前7頁，總共92頁。當前8頁，總共92頁。第2節靶材的氣化模型高強度激光脈沖照射金屬靶表面分為幾個階段:首先，靶表面達到熔點溫度時，就形成一個熔融層，然后溫度繼續上升直到蒸發開始。一部分吸收的激光能流變為蒸發的潛熱、氣化質量的動能和噴濺蒸氣的熱量，其余部分傳給靶材。最后，在強度不是很高的條件下，噴濺蒸氣不能形成強吸收，系統達到一個穩定狀態。當前9頁，總共92頁。當前10頁，總共92頁。

若激光加熱能量分布隨時一間變化，則必須假定在每一時刻均存在穩定狀態解，然后將所有的點的解集合。對于蒸發穩定狀態，可從溫度和蒸氣的質量變化率來計算蒸氣壓力當前11頁，總共92頁。

在更高的強度下，激光和蒸氣之間的相互作用變得重要了，溫度很高以致部分靶蒸氣原子處于激發狀態，另外隨著蒸氣密度的加大，逆韌致輻射過程加強了。當前12頁，總共92頁。考慮熔融潛熱穩態蒸發解為當前13頁，總共92頁。當前14頁，總共92頁。鋁靶吸收了功率密度為107W/cm2的激光后溫度分布當前15頁，總共92頁。第3節靶材氣化時的Knudsen(克努森)層從靶表面跑出來的蒸汽粒子具有表面溫度下的麥克斯韋速率分布.而且這些氣化粒子的速度方向均是離開靶表面方向。這種各向異性的速率分布是通過蒸氣粒子相耳碰撞形成的，通常認為這種碰撞是在靶表面前方幾個平均自由程內進行，這一區域稱為Knudsen層。當前16頁，總共92頁。當前17頁，總共92頁。在下面處理過程中，假設所有后向散射蒸氣粒子凝固到靶表面上，并將蒸氣近似為理想氣體來處理，那么1mol理想氣體內能為當前18頁，總共92頁。代入分布函數式并積分，得到Knudsen層的質量、動量、能量守恒方程當前19頁，總共92頁。當前20頁，總共92頁。變換一下得靶表面蒸汽的溫度、密度與靶材密度、表面溫度的關系。當前21頁，總共92頁。Knudsen層的蒸氣馬赫數Ma為馬赫數:Machnumber

定義1：在某一介質中物體運動的速度與該介質中的聲速之比。定義2：流場中某點的速度與該點處的聲速之比當前22頁，總共92頁。第4節Knubsen層外的蒸氣流動五條假沒:

1)作用激光近似作為頂帽型(top-hat)處理。

2)激光脈沖開始時，就有蒸發現象

3)激光脈沖期間，靶表面靶物質噴濺是穩定的。

4)靶周圍氣體均勻且靜止。

5)與氣體噴濺速度相比，靶表面后退速率很慢當前23頁，總共92頁。整個區域分為三部分，1、表示穩態氣體，2、表示受擾動氣體;3、為Knudsen層鄰近氣體沖擊波后的氣體速度當前24頁，總共92頁。當前25頁，總共92頁。Ma3表示接觸間斷面蒸氣中的馬赫數代入V2當前26頁，總共92頁。當前27頁，總共92頁。飽和蒸氣壓力和Knudsen層溫度Ts的函數關系當前28頁，總共92頁。當前29頁，總共92頁。第5節氣化時間的估計假設氣化過程中，所有材料在液相和固相時性質相同，且不隨溫度變化，那么氣化厚度為d,:的金屬所需時間可由能量守恒定律推得當前30頁，總共92頁。

作用激光功率密度愈高所需氣化時間愈短；一般氣化時間比熔融時間高出一個數量級，原因在于沸點比熔點高得多。而且氣化潛熱比熔融潛熱要大一個數量級。激光加熱靶材且至氣化過程中，有兩個非常重要的物理量：激光與靶材的熱耦合系數，激光能量中被轉化為靶的熱能的部分。質量遷移率：m/E，材料氣化而損失的質量與激光能量的比值，與激光功率密的分布、脈沖結構、光斑大小及材料本身的特性等都有關。當前31頁，總共92頁。調Q或鎖模激光，m/E的值在1-10g/J，而對自由振蕩脈沖激光、其脈寬為毫秒量級m/E

為102g/J數量級當前32頁，總共92頁。

很強激光照射靶材引起蒸氣或等離子體的流體力學運動及其在凝聚態靶中的力學響應，構成了激光對靶的力學效應，蒸氣或等離子體的運動將占據明顯的能量比例，其動力學機制成為這類現象的主要因素，并對激光與靶的福合起到決定性的作用。當前33頁，總共92頁。在離開處于熱力學平衡態的凝聚態靶表面的氣體分子中，有一定比例的粒子由于反向散射而返回靶表面;

特別當飽和氣化時，蒸氣壓力與環境氣體壓力平衡，離開靶面的粒子數與返回靶面的粒子數相等，呈現動態平衡。飽和氣化時其平均速度為零，表現為氣態半空間中的麥克斯韋分布當前34頁，總共92頁。當蒸氣壓力大于環境壓力、出現非飽和氣化時．相界面附近蒸氣粒子平動態不平衡，離開的粒子數多于返回的，粒子之間經過若干個平均自由程的相互碰撞后才逐漸達到平衡，形成宏觀狀態一致的蒸氣流。因此，相界面附近有一個很薄的介質密度間斷區，也是蒸氣粒子由平動不平衡變為平衡的過渡區，稱為克努森層。當前35頁，總共92頁。當前36頁，總共92頁。第4章靶表面激光等離子體產生與發展如果蒸氣粒子繼續吸收激光能星、溫度繼續升高。最后將導致蒸氣分子電離，形成一種高溫度高密度的狀態·一等離子體。本章將從蒸氣的電離、saha方程、流體動力學等角度去揭示等離子體的點燃機理。當前37頁，總共92頁。4．1等離子體的特性和產生機制

4．1．1等離子體的特性

物質的狀態是由組成物質的每個粒子的動能大小決定的。若此動能大于原子的電離勢(約10eV左右)，則物質處于等離子體狀態，這是除固、液、氣以外的第四種物態。等離子體就是高度電離的氣體,所謂高度電離，是指帶電粒子的密度足夠高，正、負帶電粒子之間的相互作用很強，使得在氣體體積大小的空間范圍內等離子體可以保持電中性。中性或弱電離氣體中，分子、原子、離子和電子等粒子的個體碰撞，即少數粒子之間的個體相互作用，是該系統行為的支配因素。等離子體則是一種電荷之間靜電(庫侖)相互作用的長程力起主要作用的物質形態，大量粒子之間的集體相互作用表明等離子體中主要的運動形態是各種波動。當前38頁，總共92頁。

等離子體的一般特性有：

(1)電準中性由于高度電離，破壞電中性的任何擾動都會導致該區域強電場的出現，從而使電中性得以恢復。換言之，等離子體內電荷分布偏離的空間與時間尺度都很小。

(2)強導電性由于存在很多自由電子和各種荷電離子，等離子體的電導率很高。

(3)與磁場發生相互作用利用磁場可以控制等離子體的位置、形狀與運動。

(4)集體相互作用指大量帶電粒子在自己產生的電場中運動的行為，也就是等離子體內的各種波動過程。當前39頁，總共92頁。

集體相互作用中，最基本的是Iangmuir波，稱為Iangmuir振蕩或靜電波。是電場振動方向跟傳播方向一致的縱波。色散關系為:當前40頁，總共92頁。靜電波有兩種極端的情況當前41頁，總共92頁。無磁場時等離子體波的色散曲線當前42頁，總共92頁。沿磁場方向傳播的等離于體波色散曲線當前43頁，總共92頁。等離子體按溫度高低可分為：

(1)低溫等離子體溫度為室溫到3×104K左右，在此范圍內還可按重粒子溫度的高低分為熱等離子體和冷等離子體。熱等離子體的重粒子溫度約3×l04K，基本處于熱平衡狀態；冷等離子體的重粒子溫度低(可低至室溫)，而電子溫度為l04K左右，是遠離熱平衡的狀態。當前44頁，總共92頁。

(2)高溫等離子體溫度為106-108K，例如受控熱核聚變條件下的氘氚氣體就屬于此類等離子體.沿垂直于磁場方向傳播的等離子體波色散曲線當前45頁，總共92頁。當前46頁，總共92頁。

4．1．2激光等離子體的產生機制

產生等離子體的技術途徑通常為核聚變、高功率激光、強沖擊波、電弧放電、高頻電場和強燃燒等方式。

高功率激光輻照各種氣體、液體或固體靶，使部分靶介質轉變為等離子體狀態的主要機制是：

(1)光電離原子中的電子受到激光照射時，由于光電效應或多光子能量而發生電離。

(2)熱電離高溫下熱運動速度很大的原子相互碰撞，使其電子處于激發態，其中一部分電子的能量超過電離勢而使原子發生電離。

(3)碰撞電離氣體中的帶電粒子在電場作用下加速井與中性原子碰撞，發生能量交換，使原子中的電子獲得足夠能量而發生電離。當前47頁，總共92頁。各種等離子體的參數范圍日面等離子體：1—冕洞；2—凝聚區；3—耀斑爆發區；4—冕色過渡區；

5—色球層；6—日珥；7—針狀物；8一耀斑。當前48頁，總共92頁。

光電離:氣體中原子吸收一個或多個光子，因光電效應而發生電離的現象，但在激光等離子體場合較少發生。發生單光子吸收的條件相當于要求激光波長滿足以下不等式：

靶物質中的雜質、缺陷等會影響其附近原子的能級狀態，使得電離過程復雜化。光電離主要適用于較冷的介質中初始載流子的萌生過程，而激光等離子體處于完全電離狀態，光電離不是其形成的主要機制。當前49頁，總共92頁。

激光作用下靶蒸氣的溫度足夠高時，熱機制發生電離，這是由于熱運動使得少致電子可能突破電離勢束縛的結果。處于熱力學平衡狀態下的蒸氣的電離度可完全由其密度和溫度決定，溫度上升電離度增加。部分電離的氣體中．入射激光能量被熱激發原子通過束縛—自由機制和離子通過逆韌致機制所吸收。氣體吸收激光能量而升溫，并導致電離度和吸收系數進一步增大，這種正反饋有助于在蒸氣中形成等離子體。當前50頁，總共92頁。當氣體充分電離，逆韌致過程成為吸收激光的主要機制。極高光強輻照下，很高溫度的等離子體又變得透明，入射激光又可直接作用到稠密靶介質表面(臨界面)上，凝聚態和等離子體態之間的嚴格界限消失。激光束只能在等離子體頻率低于激光頻率的密度較低的等離子體(暈區)中傳播，在臨界面附近等離子體密度驟升為其臨界值，此處成為主要的激光吸收面。電子熱傳導是將沉積的激光能量從臨界面向稠密介質(燒蝕區)傳輸的主要途徑，這個區內電離的主要機制將是碰撞電離。當前51頁，總共92頁。碰撞電離當自由電子的能量足夠高．它撞擊原子時深層束縛電子將可能被電離。激光加熱電子和離子達到動力學平衡的弛豫時間不同，首先被加熱的是電子。由于電子與離子的質量懸殊太大，它們之間每次碰撞可交換的能量份額過小，所以電子—電子和離子—離子交換能量的過程要比電子—離子過程快。三個過程的弛豫時間分別是tee，tii，tie當前52頁，總共92頁。當前53頁，總共92頁。當前54頁，總共92頁。當前55頁，總共92頁。當前56頁，總共92頁。4．2激光在等離子體中的傳播和吸收4．2．1激光在等離子體中的傳播當前57頁，總共92頁。

激光產生的等離子體的電子密度通常是不均勻的，激光傳播方向和等離子體電子密度梯度方向一致時稱為正入射，否則稱為斜入射。激光電場強度E的方向稱為激光的極化方向。如果激光是線極化的，且極化方向處于激光傳播方向和等離子體電子密度梯度方向組成的平面內，這種情形稱為P極化；極化方向和這個平面垂直的情形稱為s極化。正入射的激光束可以到達臨界面，并在此面發生反射。假定激光不被等離子體吸收。保持為常數，在臨界面附近Vg變得很小，激光電場強度量則變得很大，產生的光壓正比于斜入射激光束不能達到臨界面，而在某個低于臨界電子密度的地方轉向，此處稱為折返點，電子密度為B26，6是激光束的入射角。當前58頁，總共92頁。1、傳播方程當前59頁，總共92頁。等離子體的平均電流密度電子和離子的粒子數密度和速度則由流體力學方程組給出：當前60頁，總共92頁。當前61頁，總共92頁。當前62頁，總共92頁。2、幾何光學近似實際問題中往往需要將激光的傳播、吸收規律和多維流體力學方程組聯立求解，此時應借助于一些簡化、近似的方法。最簡單的方法就是幾何光學近似，目前幾乎在所有激光與等離子體相互作用的二、三維數值模擬中都使用這一方法。當前63頁，總共92頁。光路追蹤方程可以寫成正則方程的形式：當前64頁，總共92頁。3、假定在一維情況下，激光傳播方程具有解：振幅f的方程：溫側-克喇末-布里淵近似法

當前65頁，總共92頁。2、等離子體對激光的吸收等離子體通過多種機制吸收在其中傳播的激光束的能量，使自己的溫度升高、電離度增大。吸收激光的機制可以分為正常吸收與反常吸收兩大類。正常吸收也就是逆韌致吸收，是指處在激光電場中的電子被激勵發生高頻振蕩，并且以一定概率與粒子(主要為離子)相碰撞，把能量交給比較重的粒子(離子、原子)，從而使等離子體升溫的過程。當前66頁，總共92頁。逆韌致吸收又可分為線性(電子速度分布為麥克斯韋分布)與非線性(電子速度分布函數與激光電場有關)兩類，非線性情況發生在激光電場足夠高時。

反常吸收是指通過多種非碰撞機制，使激光能量轉化為等離于體波能量的過程。這些波所攜帶的能量，通過各種耗散機制轉化為等離子體的熱能，也會使等離子體升溫。當前67頁，總共92頁。反常吸收又可分為共振吸收和多種非線性參量不穩定性產生的吸收兩類。共振吸收是在臨界面附近將P極化激光束的能量轉換為電子波能量，參量不穩定性則可視為激光衰變為其他波的過程，包括不同于激光頻率的電磁波(稱為散射)。此外，激光束還可以在等離子體中自聚焦，甚至變為一根根的絲(成絲現象)。這些相互作用不是孤立的，往往存在相互競爭和耦合。對于短波長激光(0.35m)碰撞吸收是主要的，它抑制了其他吸收過程。當前68頁，總共92頁。(1)逆韌致吸收

逆韌致吸收是由電子—離子碰撞引起的．就是在激光高頻電場中振蕩的電子由于和離子碰撞而失去規則的振蕩能量，使離子獲得能量的過程。電子在激光電場中的振動速度正比于I／，其動能正比于I／

2，I為激光強度。當前69頁，總共92頁。激光傳播單位長度后的強度損失為當前70頁，總共92頁。（2）、共振吸收

斜入射的P極化激光束在臨界面附近可以發生共振吸收。臨界面位于x＝0處，假定等離子體電子密度只是在x方向不均勻，當激光束傳播到折返點時，激光電場方向正好就是電子密度梯度方向。雖然折返點離臨界面還有一定距離，從此點到臨界面激光電場強度逐漸衰減，但在臨界面處電場強度并不為零。當前71頁，總共92頁。

沿著電子密度梯度方向的激光電場將導致等離子體電荷分離，引起等離子體振蕩，其振蕩頻率恰好是激光頻率，因此發生共振，使電場強度的振幅變得很大。當前72頁，總共92頁。

共振吸收是波的模式的一種轉換——橫向的電磁波變成了縱向的靜電波。此靜電波將沿電子密度梯度方向向低密度等離子體中傳播，群速度逐漸增加，電場強度的振幅逐漸減少。某些電子將在這個靜電波的電場中得到加速，達到很高的速度。這些電子起初被束縛在靜電波的勢阱中，由于共振電場強度很大，或者由于這個電場振幅的衰減，這些電子的加速導致“波破裂”。當前73頁，總共92頁。一個時空變化規則的波是由帶電粒子的協調、規則的運動支持的，大量高能超熱電子的產生就破壞了這一規則運動，波本身也就不能維持而發生破裂，釋放出超熱電子。估算表明，當電子振蕩速度達到共振區的有效相速度時，超熱電子就產生了。共振吸收是產生超熱電子的重要機制之一。當前74頁，總共92頁。4.3激光等離子體的實驗和診斷技術激光等離子體性質及其各種輻射的實驗與診斷是認識激光與等離子體相互作用的重要途徑，診斷技術的關鍵是了解微小尺度和快速變化物理過程所要求的時空分辨率。通常在超臨界區使用x射線診斷，在次臨界(暈)區主要使用光學診斷技術。當前75頁，總共92頁。1、激光與等離子體非線性相互作用實驗當前76頁，總共92頁。上圖為我國“神光—I”激光器上進行的非線性相互作用實驗布置圖。入射激光束經會聚透鏡聚焦在靶上。用標定過的帶有紅外高通濾光片(F2)的激光能量計，測量打靶透鏡收集到的受激拉曼散射光能量。l5個標定過的帶有紅外高通濾光片(F1)和1.053m全反片的聚偏氟乙烯熱釋電探測器1和2測量受激拉曼散射光的角分布當前77頁，總共92頁。用光學多道分析器測量20(由共振吸收或參量衰變不穩定性所產生)、30

／2(由雙等離子體衰變不穩定性所產生)和0

／2(由受激拉曼散射所產生)的諧波強度和波譜；用可見光條紋相機測量20和30／2諧波的時間特性；用多個硅光二極管測量20和30／2諧波的角分布。當前78頁，總共92頁。另外，利用多道濾波—熒光譜儀測量1.5-300Kev范圍的硬x射線譜，根據其斜率得到超熱電子和極高能電子的溫度；利用GaAs二極管陣列探測器探測硬x射線(10-100kev)的角分布；再利用理論計算的超熱電子與硬x射線轉換系數