长脉冲激光辐照铝靶的一维热熔融

给出长脉冲1.06μm激光对LY12铝板一维热熔融的有效熔融热、激光熔融阈值强度和金相显微分析的结果。得到激光加热与激光热应力联合引起材料破坏的新见解。当入射激光强度I=24～220kW/cm~2时,有效熔融热Q=3.5～57kJ/g,激光熔融阈值强度为10kW/cm~2。     

超快脉冲激光辐照金属薄膜热-力效应的模拟研究

基于双曲双温两步热传导和热电子崩力模型,考虑到超快脉冲激光辐照金属薄膜材料过程中的热-力耦合效应,得到了完全耦合的、非线性的超快热弹性模型.运用具有人工粘性和自适应步长的有限差分算法,以脉宽为100 fs的脉冲激光辐照200 nm厚金膜为例,对薄膜体内的电子-晶格温度及温度梯度、热应力和电子热流进行了数值模拟研究.结果表明：脉冲辐照早期为明显的非平衡加热阶段,同时形成较大的热电子崩力;电子热流出现双峰现象;超快加热引起的热应力是导致薄膜力学损伤的主要原因.     

脉冲激光制备薄膜材料的烧蚀机理

研究了脉冲激光烧蚀靶材的整个过程.从包含热源项的导热方程出发，利用适当的动态边界条件，详细研究了靶材在熔融前后的温度分布规律，并且给出了熔融后的固、液分界面的变化规律.熔融后的温度演化规律和固液相界面均以解析表达式的形式给出.还根据能量平衡原理给出烧蚀面位置随时间的变化规律.以硅靶材为例计算模拟了激光烧蚀的整个过程，与实验结果符合较好. 关键词： 脉冲激光 烧蚀面 熔融 温度演化     

激光烧蚀高纯Zn形成的微米金属球体对后续脉冲激光的耦合增强效应

脉冲激光束在低真空(约2 Pa)环境下聚焦到高纯Zn靶表面, 烧蚀区域不仅有中心深孔的宏观损伤, 而且还发现大量微米量级的类似足球形状的金属Zn球体结构附着生长在孔洞内侧表面. 实验过程中采用等离子体光谱诊断技术研究宏观和微观损伤对后续脉冲激光的影响程度. 与聚焦于金属Zn平滑表面相比, 宏观损伤可以使后续激光诱导的Zn原子334.5 nm谱线强度提高10.3%, 在此基础上大量Zn微米球体附着在内表面可以使谱线强度再提高34.3%. 因此, 推断这些金属Zn微球表面镶嵌着光洁的纳米量级六边形和五边形小平面, 可以对后续脉冲激光产生镜面反射, 使得激光能量汇聚并耦合增强, 提高烧蚀效率. 实验结果还表明, 这些微米球体的数目随着激光脉冲次数的增加而增多, 使得后续激光能够诱导产生更为致密高温的等离子体. 研究结果有望为激光-金属微孔技术提供新思路. 关键词： 脉冲激光烧蚀 微纳米结构 激光诱导等离子体     

脉冲激光烧蚀过程中靶材表面熔融前温度分布与激光功率密度分布的研究

用较为符合实际的高斯分布表示了脉冲激光输出功率密度分布，讨论了脉冲激光功率密度分布函数形状变化对烧蚀过程中靶材表面熔融前温度分布的影响。建立了考虑热源项的热传导方程，并给出了相应的边界条件。以Si为例，用有限差分方法模拟了温度随时间、位置的变化规律，模拟过程中强调了对边界条件的处理，使整体截断误差保持最小。通过改变脉冲激光功率密度分布函数的形状，分析了温度分布的变化。结果表明，相比恒定脉冲功率密度输出，功率密度高斯分布的激光束与靶材作用时高温阶段的温度变化率变大，靶材表面熔融时刻热扩散距离增加；当激光器上升沿变陡时，在有效作用时间内温度上升得更快，对加工区域周围热效应的影响明显减弱，而热扩散距离变小。     

超短脉冲激光对岩石的烧蚀作用研究

对干燥状态和浸水后的红砂岩、花岗岩、大理岩在不同超短脉冲激光入射频率和烧蚀发次等条件下的烧蚀情况进行了研究.结果发现,浸水后的岩石烧蚀质量损失明显大于干燥状态下的质量损失.同时质量损失与激光入射频率和烧蚀发次有着密切的关系.     

飞秒脉冲激光作用下金属薄膜的热弹性研究

利用双曲-双温两步热传导和热电子崩力模型,考虑到晶格温度与应变速率的耦合效应,得到了用于描述飞秒激光作用下金属薄膜热力效应的超快热弹性模型。以飞秒脉冲激光辐照金属铜薄膜为例,运用具有人工粘性和自适应步长的有限差分算法,对不同能量密度和脉冲宽度条件下薄膜体内温度场和应力场的变化规律进行了数值模拟,对比分析了电子晶格耦合系数对超快加热过程的影响。结果表明,飞秒脉冲激光辐照早期为明显的非平衡加热过程,电子温度迅速升高,而晶格温度的升高却相对较慢;激光辐照早期的热力耦合效应导致薄膜前表面附近的热应力表现为压应力,随着时间的推移,热应力由压应力转变为张应力,为激光加工和激光对抗提供了理论参考。     

脉冲激光烧蚀制备纳米Si晶粒成核区位置的确定

为了确定纳米Si晶粒气相成核的位置，采用XeCl准分子激光器，在10Pa氩气环境下，烧蚀高阻抗单晶Si靶，在距离等离子羽正下方2.0cm处、与其轴线平行放置一系列单晶Si或玻璃衬底，沉积制备了纳米Si薄膜. X射线衍射、Raman散射、扫描电子显微镜和原子力显微镜结果均显示，纳米Si晶粒只在距靶约0.5—2.8cm平行距离范围内的样品上形成，在此范围内，随着离靶平行距离的增大，所形成的纳米Si晶粒的平均尺寸逐渐减小，并且晶粒尺寸的分布也发生变化. 根据成核区起始和终止的突变特征，结合晶粒形成后的平抛运动规律，对晶粒气相成核的位置进行了估算. 关键词： 纳米Si晶粒 脉冲激光烧蚀 成核区     

毫秒脉冲激光辐照硅基PIN的温度场应力场数值分析

为了研究毫秒脉冲激光辐照硅基PIN多层结构产生的温度场和应力场的特点,本文基于热传导理论和弹塑性力学理论,利用等效比热容法处理相变潜热,考虑多个热源,尤其是底层铝电极反射的影响,并考虑硅基PIN探测器每层材料参数的非线性影响,采用有限元模拟软件COMSOL Multiphysics,对毫秒脉冲激光辐照硅基PIN多层结构的过程进行了二维数值模拟,得到了材料表层及内部各层的瞬态温度场与应力场的时空分布和变化规律.结果表明,底层铝电极对激光的反射,使得在底层铝电极处及附近硅层的温度都略有升高.在此基础上,分析了毫秒脉冲激光辐照硅基PIN的硬破坏机理,即熔融前力学损伤导致硅基PIN探测器的功能失常.     

多脉冲飞秒激光对锗材料的烧蚀效应

 开展了脉宽为40 fs的不同数量激光脉冲对锗材料的烧蚀效应实验,采用扫描电镜、激光共聚焦显微镜等方法对不同数量的飞秒激光脉冲作用下锗材料表面烧蚀区进行了检测,并对作用后材料烧蚀形貌演化规律进行了分析,初步分析了锗材料烧蚀区周围形成的不同环区的形貌特征及成因,对各环区烧蚀形貌特征随激光作用脉冲数的增加而产生的形貌演化过程进行了观测。并给出单脉冲飞秒激光对锗材料的烧蚀阈值为1.2 J·cm^-2,采用激光共聚焦显微镜测得该阈值条件下单个飞秒激光脉冲对锗材料的烧蚀深度约为150 nm。     

LY12铝靶激光热烧蚀的实验研究

给出波长为1.06μm的两种脉冲持续时间的会聚激光束照射LY12铝靶的热烧蚀结果。由金相显微仪、扫描电镜观察获得的烧蚀坑孔的显微照片表明,在脉冲持续时间为1.6ms光束照射下。铝合金不仅产生强汽化,而且伴随着严重的液相冲刷效应,其热烧蚀率在焦点处为360～500μg/J,在焦前40mm处为45～140μg/J。而在脉宽100ns的单脉冲激光束照射下,铝合金产生强汽化,但未发生液相冲刷,热烧蚀率为4～10μg/J。     

铝靶激光热应力的实验研究

 用高温应变计和热偶计等诊断技术，研究连续波氧碘化学激光（CW/COIL）与铝合金板作用产生的激光热应力。当照射靶面激光强度约1 000 W/cm²时，激光热应力随靶厚的增加而快速减小。当激光辐照靶材厚度h＝1.00 mm、激光强度I＝640~980 W/cm²时，激光热应力随辐照靶面激光强度的增加而增大。两者的激光热应力－时间曲线随靶厚的减薄或随辐照靶面激光强度的增加而变得越来越复杂。当靶厚h≤2.50 mm，辐照靶面激光强度I≥800 W/cm²时，激光热应力强度超过激光辐照区材料断裂强度，萌生许多孔洞裂纹，引起材料断裂破坏。     

CW／COIL照射LF 6M铝合金板热耦合效应研究

用热电偶计和热象仪探测靶升温，积分球－光电转换放大测量反射率，金相显微图象数据处理和电子天平称量获得激光照射质量和熔融质量等诊断技术，对连续波（波长１．３１５μｍ）氧碘化学激光（ＣＷ／ＣＯＩＬ），与ＬＦ６Ｍ板相互作用的有效热耦合系数α＿（ｅｆｆ）和热耦合率α＿ａ，进行了实验测量。当照射靶面激光强度Ｉ≈（０．６０～１．１３）ｋＷ／ｃｍ￣２和发生熔融时，α＿（ｅｆｆ）≈０．１６～０．１８和α＿ａ≈０．２０～０．２５（工业商品铝表面）；α＿（ｅｆｆ）≈０．１１和α＿ａ≈０．１２～０．１４（表面加工粗糙度１６μｍ）。当Ｉ≈０．０７～０．１１ｋｗ／ｃｍ￣２和表面不发生熔融时，α＿ａ≈０．０９～０．１０（工业商品铝表面），α＿ａ≈０．０２～０．０３（表面加工粗糙度１．６μｍ）。     

激光辐照下金属靶表面汽化现象研究

用高速纹影诊断技术研究激光辐照下金属表面发生汽化的特征及蒸气发展运动过程,结合汽化模型给出了凝聚相表面温度与激光入射功率密度的关系。由实验得到了不同入射激光功率密度下汽化表面(凝聚相)温度,蒸气羽阵面速度,前驱空气冲击波速度。     

脉冲激光烧蚀块状靶材的双动态界面研究

给出脉冲激光作用块状靶材的烧蚀模型.根据能量平衡原理,导出烧蚀面的位置随时间的变化关系.利用绝热近似、温度连续性条件和能量平衡原理来获得烧蚀面与固液相界面边界条件.结合热传导方程,利用精确解与积分近似法相结合的方案,给出固液两相的温度分布与时间和位置的变化关系,以及固液相界面的位置随时间的变化规律,并与已有的理论和实验结果进行比较.最后以铝靶为例计算模拟了激光烧蚀的全过程计算. 关键词： 脉冲激光 等离子体 固液相界面 烧蚀面