激光与物质相互作用课件

1、第二章激光熔化和气化激光加热材料的表面温度上升，如果表面温度达到材料的熔点就会发生熔化现象，如果持续加热直到材料表面温度达到气化温度，表面就会发生气化现象。 1激光的熔融现象是由于激光使材料表面的温度达到其熔点时，材料表面的一部分熔融，由于熔融区域的出现导致热传导变得复杂，主要是材料一熔化，就会吸收热，其次材料的热传导率在熔融前后倍增。 等温面传播的最大距离是最大熔化深度，该物理量是激光焊接中重要的残奥仪表。 为了简化问题，激光加热熔融时材料的热特性一定，激光强度一定，作用于材料表面均匀，熔融(液相域)也均匀出现在某一平面，假定等温面z(t )。 边界条件取决于激光照射到材料表面时材料表面温度

2、根据热传导规律上升其传播速率和激光功率密度与材料的固相液相热力学参数。 式中下标1、2分别表示液相和固相，Tn表示解链温度，Ll表示材料的熔化潜热，t表示熔化开始后的时间。 tn是从激光照射到材料表面到材料熔化所需要的时间，对于很多金属来说，几乎成立，因此熔化波前的深度应该调整作用激光的功率密度，使得作用激光脉冲宽度一定时，激光脉冲结束时材料表面正好达到气化温度熔化时间tn可以用热平衡方程式近似，第二节营销对象的煤气化模型高强度激光脉冲照射金属营销对象表面可分为几个阶段：首先，当营销对象表面达到熔点温度时，形成熔化层，并持续上升直到开始蒸发。 一部分被吸收的激光能量的流动成为蒸发的潜热、气化质

3、量的动能、溅射蒸气的热，其侥幸部分传递到营销对象材料。 最后，在强度不太高的条件下，溅射蒸汽无法形成强吸收，系统将处于稳定的状态。 激光加热能量分布随时间变化，总是假定存在稳定状态的解，必须使所有点的解集合。 对于蒸发稳定状态，可以根据温度和蒸汽的质量变化率来修正蒸汽压力，在较高的强度下，激光与蒸汽之间的相互作用变得重要，由于温度高，一部分营销对象蒸汽原子处于激发状态，而且随着蒸汽密度的增大，反韧辐射过程得到加强。 考虑到熔融潜热，稳态蒸发解包括：铝营销对象吸收功率密度107W/cm2的激光后的温度分布、第3节营销对象煤气化时的Knudsen (克努森)层， 从营销对象表面飞出的蒸汽粒子具有表

4、面温度下的麦斯威尔速度分布，该各向异性现象的速度分布是通过蒸汽粒子撞击耳朵而形成的，通常认为该撞击发生在营销对象表面前方的几个平均自由程，将该区域称为Knudsen层。 在以下处理过程中，如果所有的后向散射蒸汽粒子凝固在营销对象表面，将蒸汽近似处理为理想瓦斯气体，则1mol的理想瓦斯气体内代入分布函数式进行积分，得到Knudsen层的质量、运动量、能量守恒方程式，变换营销对象表面的蒸汽的温度， Knudsen层的蒸汽马赫数Ma是马赫数：Mach number定义1 :在某介质中物体移动的速度与该介质中的音速之比。 定义2 :流场中某一点的速度与该点的声速之比、第4节Knubsen层外的蒸汽流动

5、、5条假无： 1 )作用激光近似作为掌门人帽型(top-hat )处理。 2 )激光脉冲开始时，有蒸发现象3 )激光脉冲期间，营销对象表面的营销对象物质的飞散稳定。 4 )营销对象周边的瓦斯气体是均匀且静止的。5 )与瓦斯气体的溅射速度相比，营销对象表面的后退速度慢，整个区域分为三个部分，1、表示稳定瓦斯气体，2、表示接受声干扰的瓦斯气体的3.Knudsen层附近瓦斯气体、冲击波后的瓦斯气体速度、Ma3表示接触间截面蒸汽中的马赫数，V2、饱和蒸汽压力和knudsen层温度Ts的第五节煤气化时间估计表明，在煤气化过程中，所有材料的液相和一般煤气化时间都比熔化时间高一位数。 这是因为沸点远远高于熔

6、点。 另外，汽化潜热比熔化潜热大一位数。 在激光加热营销对象使其汽化过程中，有激光与营销对象的热耦合系数、激光能量中可转化为营销对象热能的部分2个非常重要的物理量。 质量迁移率： m/E，材料气化损失的质量与激光能量之比，与激光功率的密集分布、脉冲结构、光斑大小及材料本身特性等有关。 调q或摇滾乐模激光器，m/E的值为1-10g/J，自由振荡脉冲激光器，其脉冲宽度为毫秒级m/E为102g/J级，强激光照射营销对象引起的蒸汽或等离子体的流体动力学运动及其在凝聚态营销对象下的力学响应， 在位于构成激光对的热力学平衡态的凝聚态的营销对象表面离开的瓦斯气体分子中，一定比例的粒子由于逆散射返回营销对象表

7、面特别是饱和气化的情况下，蒸气压力和环境压力平衡，离开营销对象面的粒子数和返回营销对象面的粒子数相等，显示动态平衡。 饱和气化时的平均速率为零，表现为气体半空间中的最概然分布，蒸汽压力比环境压力大，引起非饱和气化时的相界面附近的蒸汽粒子的平均动态失衡，分离的粒子数比返回的粒子数多，粒子之间经过几个平均自由程的碰撞逐渐达到平衡，宏观状态一致的蒸汽流因此，在相界面附近有薄介质密度的断续区域，也是蒸汽粒子从平移不平衡向平衡变化的过渡区域，称为克努森层。 第四章营销对象表面激光等络离子体的产生和发展，蒸汽粒子持续吸收激光能量星，温度持续上升。 最后蒸汽分子电离，形成高温高密度状态的等离子体。 在本章中

8、，从蒸汽电离、saha方程式、流体动力学等观点出发，明确了等离子体的点火反应历程。 41等离子体的特性和产生反应历程、411等离子体的特性物体状态由构成物质的每个粒子的动能的大小决定。 如果该动能大于原子电离势(约10eV左右)，则物质在等离子态上，这是固液瓦斯气体以外的第四种物质状态。 等离子体是高度电离的瓦斯气体，高度电离是指粒子电荷密度一盏茶高，正负粒子电荷间相互作用强，在瓦斯气体体积大小的空间范围内等离子体保持电中性。 在中性或弱电分离瓦斯气体中，分子、原子、络离子和电子等粒子的个体冲突，即少数粒子间的个体相互作用，将成为该系统的行为的支配因素。 等离子体是电荷间静电(库仑)相互作用的

9、长距离力主要作用的物质形态，多个粒子间的集团相互作用表明等离子体中的主要运动形态是各种各样的波动。 (1)由于电中性或高度电离，破坏电中性的任何声干扰都会导致该区域强电场的出现，使电中性恢复。 换句话说，等离子体内的电荷分布偏离的空间和时间尺度都小。 (2)由于存在很多强导电性自由电子和各种带电络离子，所以等离子体的导电率高。(3)利用磁场和相互作用磁场可以控制等离子体的位置、形状和运动。 (4)所谓集团相互作用，是指大量的粒子电荷在自各儿产生的电场中运动的行为，即等离子体内的各种波动过程。 在集体相互作用中，最基本的是Iangmuir波，称为Iangmuir振动或静电波。 电场的振动方向和传

10、播方向一致的纵波。 色散关系为：对于静电波，根据无磁场时的等离子体波的频散曲线、在磁场方向上传播的等离子体波频散曲线、等离子体的温度的高低，(1)低温等离子体温度从室温到3104K左右，在该范围内，可分为重粒子温度的高低的热等离子体的重粒子温度约为3l04K， 几乎处于热平衡状态的冷等离子体的重粒子温度低(低到室温)，但电子温度为l04K左右，处于远离热平衡的状态。 (2)高温等离子体温度为106-108K、例如热核聚变条件下氘氚瓦斯气体属于这样的等离子体，沿着在与磁场垂直的方向上传播的等离子体波频散曲线、412激光等离子体的产生反应历程产生等离子体的技术路径通常是核聚变、高功率激光、强冲击波

11、， 电弧即高功率激光照射各种气体、液体或固体营销对象，使部分营销对象介质转化为等离子态的主要反应历程是： (1)光电分离原子中的电子照射激光时，被光电效应或多光子能电离。 (2)在热电分离高温下，热运动速度大的原子相互碰撞，使该电子成为激发状态，其中一部分电子的能量超过电离电势使原子电离。 (3)碰撞电离瓦斯气体中的粒子电荷通过电场加速供水井与中性原子的碰撞，产生能量交换，使原子中的电子得到一盏茶的能量电离。 各种等离子体的残奥仪范围凌日等离子体： 1冠孔2凝聚区3富土卫五爆炸区4冠色转移区5色球层6胞7针状物8富土卫五。 光电分离：瓦斯气体中的原子吸收一个或多个光子，产生通过光电效应电离的现

12、象，但在激光器等络离子体的情况下很少发生。 发生单光子吸收的条件相当于激光波长要求满足以下不等式。 靶物质中的杂质、缺陷等会影响其附近原子的能级状态，电离过程复杂。 光电分离主要适用于冷介质中初始载流子瓦斯气体的产生过程，而激光等离子体处于完全电离状态，光电分离不是其形成的主要反应历程。 激光作用下，营销对象蒸汽的温度达到高一盏茶时，热机构电离。 这是因为热运动很少会使电子突破电离电势的束缚。 热力学平衡态中的蒸气电离度完全取决于其密度和温度，温度上升电离度增加。 入射到部分电离的瓦斯气体中的激光能量被热激发原子通过束缚自由机构和络离子，通过反固件机构吸收。 瓦斯气体吸收激光的能量而升温，电离

13、度和吸声系数进一步增大，这种正反馈有助于在蒸汽中形成等离子体。 当瓦斯气体电离为一盏茶时，反固件的过程成为吸收激光的主要反应历程。 在极高光强度的照射下，温度非常高的等离子体又变为透明，可以入射激光直接作用于稠密的营销对象介质的表面(临界面)，凝聚态与带等离子体之间的严格边界消失。 激光束的等离子体频率在密度比激光频率低的等离子体(晕区)中传播，在界面附近等离子体密度急剧上升到其阈值，这里成为主要的激光吸收面。 电子热传导是将堆积的激光能量从临界面传递到稠密介质(消融区)的主要途径，该区内电离的主要反应历程是碰撞电离。 如果碰撞电离、自由电子的能量与一盏茶高的原子碰撞，深层束缚电子有电离的可能

14、性。 激光加热电子和络离子达到动力学平衡的松弛时间不同，首先加热的是电子。由于电子和络离子的质量差别太大，它们之间每次碰撞可交换的能量份额太小，因此电子电子和络离子络离子交换能量的过程比电子络离子的过程快。 三个过程的松弛时间分别是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不均匀，正入射激光的传播方向与等离子体电子密度梯度方向一致的情况激光进行直线极化，极化方向位于由激光的传播方向和等离子体电子密度梯度方向构成的平面内时，将其称为p极化，极化方向与该平面垂直时称为s极化。 入射的激光束到达临界面，可以由该面反射。 假

15、定激光不被等离子体吸收。 保持一定，在临界面附近Vg变小，激光电场强度变大，产生的光压与倾斜入射激光束不能到达临界面成比例，以比临界电子密度低的表兄弟转向，在此称为折返点，电子密度b26、b26是激光束的入射角。 1、传播方程、等离子体的平均电流密度、电子和络离子的粒子数密度和速度由流体动力学方程给出：2、几何光学近似，实际问题是激光的传播、吸收规则和多维流体动力学方程需要联合求解，在这种情况下，需要进行一些简化， 应该依赖于近似的最简单的方法是几何光学近似，现在几乎所有的激光器和等离子体都在用在第二三次元数值模拟中。 光路跟踪方程可以写为法方程形式：3，假设在一维度的情况下，激光传播方程具有

16、解：振幅f的方程：温侧-克拉玛依布尔近似法，2、等离子体吸收激光，等离子体吸收激光以各种反应历程在其中传播的反应历程，正常吸收和异常吸收正常吸收，也就是所谓的逆固件吸收，是指处于激光电场的电子被激发而引起射频波振动，以一定的概率与粒子(主要是络离子)碰撞，向比较重的粒子(络离子、原子)传递能量，使等离子体升温的过程。 反固件吸收分为线性(电子速度分布为最概然分布)和非线性(电子速度分布函数与激光电场有关)两种，非线性情况发生在激光电场一盏茶高时。 异常吸收是指通过多个非碰撞反应历程将激光能量等距离地转换为体波能量的过程。 这些个的波浪具有的能量通过各种消散反应历程转换为等离子体的热能，等离子体

17、也升温。 异常吸收可分为共振吸收和多个非线性残奥仪的不稳定性引起的吸收2种。 共振吸收在邻近界面附近将p偏振激光束的能量转换为电子波能量，残奥仪的不稳定性可以视为激光崩溃形成其他波的过程，包含与激光频率不同的电磁波(称为散射)。 另外，激光束在等离子体中自聚焦，有时会成为一个一个的合十礼(丝状体现象)。 这些个的相互作用并不孤立，常常存在相互竞争和结合。 短波长激光(0.35m )冲击吸收为主，抑制其他吸收过程。 (1)反固件吸收、反固件吸收是由电子络离子碰撞引起的，在激光的射频波电场中振动的电子与络离子碰撞而失去规则的振动能量，是向络离子获得能量的过程。 激光电场中电子的振动速度与I成比例，其动能与I 2成比例，I为激光强度。 激光在单位长度传播后的强度损失为(2)、共振吸收，倾斜入射的p偏振波激光可以在界面附近引起共振吸收。 假设临界面位于x0，等离子体电子密度仅在x方向不均匀，当激光束向折返点传播时，激光电场的方向正好为电子密度梯度方向。折返点距临界面有一定程度的距离，从该点到临界面的激光电场强度逐渐衰减，但在临界面，电场强度不为零。 沿电子密度梯度方向的激光电场引起等离子体电荷的分离，引起等离子体振荡，由于其振荡频率正好是激光频率，所以产生共振，电场强度的振幅增大。 共振吸收是波的一种模式，将横向的电磁波变