飞秒双脉冲激光照射金属薄膜的热行为

通过双温方程对飞秒单脉冲与双脉冲照射金薄膜进行了计算模拟分析,得到了金靶的电子温度和晶格温度随着时间空间的变化。在同样激光能量密度下,单脉冲与双脉冲使得金膜温度的变化表明双脉冲使得更多的激光能量渗透到靶材内部,这些能量可以使得烧蚀深度更深,有利于提高激光烧蚀靶材的效率。计算结果显示随着激光能量密度的增加熔化面深度逐渐增加,单脉冲与双脉冲熔化面深度的变化明显不同。在激光能量密度高于损伤阈值附近,单脉冲的烧蚀深度大于双脉冲的烧蚀深度,随着激光能量密度增加,双脉冲的烧蚀深度将大于单脉冲的烧蚀深度。     

脉冲强激光辐照下材料响应的非傅里叶效应

 研究了在多脉冲强激光辐照下靶材的热传导与热冲击特性。基于非傅里叶导热定律和热弹性理论,推导出多脉冲激光辐照下靶材温度场和热应力场的解析式;结合适当的边界条件,以不锈钢靶材为例,利用有限差分法和Matlab计算得到了多脉冲强激光辐照下靶材内部过余温度随时间和深度演化情况以及内部热应力的演化规律。计算结果表明：多脉冲激光辐照下靶材热响应在离边界不同截面处温度波形变化出现延迟性,其滞后性能与弛豫时间有关;非傅里叶解中应力波的波前十分陡峭,具有明显的热冲击性。     

纳秒激光在铜靶材中诱导冲击波的实验研究

基于聚偏二氟乙烯压电传感器, 对铜靶材中纳秒激光脉冲诱导的冲击波传播过程进行了实验研究, 给出了铜靶材内冲击压强随激光脉冲能量和靶材厚度的变化规律. 实验结果表明: 500 mJ激光脉冲能量作用到2 mm厚的铜靶材产生的冲击压强达到2.1 MPa; 激光脉冲能量从200 mJ 增加到500 mJ, 在铜靶材厚度为2和4 mm条件下, 冲击压强分别增加了162%和231%; 而当铜靶材厚度从2 mm增加到6 mm时, 在400和500 mJ激光脉冲能量作用下, 铜靶材内冲击压强分别降低了32%和49%.     

超短激光蚀除金属机制的分子动力学研究

 采用耦合电子热传导方程的分子动力学方法,研究了飞秒激光辐照下金属Ni的熔化及蚀除动力学。分析了靶材内部温度分布特征及蚀除产物的构成,主要包含单个原子及大团簇。确定了断裂位置和蚀除开始的标志,即该处温度分布出现小的峰值,且粒子数密度急剧下降。模拟结果表明：强烈的蒸发及靶材内部所产生的拉应力分别是单个原子及大团簇喷射的机制。同时,深入探讨了激光诱导压力波的传播规律,预测了压力波的波速,约为4.97 km/s。将不同脉冲能量密度下的蚀除速率同实验数据加以对比,结果相差16%~20%。预测了熔深随时间的变化规律,基本随时间的延续而呈上升的趋势。发现过热现象的存在。     

高斯与平顶光束纳秒脉冲激光物质蒸发烧蚀动力学仿真研究

基于建立的纳秒脉冲激光与金属铝相互作用的二维轴对称模型,仿真研究了光束整形对纳秒脉冲激光烧蚀金属铝过程中蒸发烧蚀动力学的影响.结果表明:等离子体屏蔽对靶材的烧蚀特性具有显著影响,屏蔽效应主要体现在脉冲的中后期.对于3种激光轮廓,高斯光束的屏蔽效果最强,随着整形后的平顶光束直径的增大,屏蔽效果逐渐减弱.平顶光束与高斯光束作用下,靶材温度的二维空间分布较为不同.高斯光束作用时,靶材中心最先升温,随后温度沿径向和轴向扩散.由于平顶光束的能量分布更加均匀,因此一定径向范围内的靶材同时升温.光束整形对靶材的蒸发烧蚀动力学影响较大.对于高斯光束,靶材中心先烧蚀,随后产生径向烧蚀.由于整形后平顶光束的能量密度降低,因此靶面蒸发时间较高斯光束延后,并且一定径向范围内的靶材同时发生蒸发烧蚀.3种激光轮廓下,靶材的蒸发烧蚀形貌与光束的强度分布类似,其中高斯光束的烧蚀坑呈中间深两边浅的特点,平顶光束的烧蚀坑较为平坦.     

掺杂红外染料聚叠氮缩水甘油醚工质激光烧蚀推进性能优化探索

选择含能聚合物聚叠氮缩水甘油醚(GAP)作为激光烧蚀微推力器的工质,分析了红外染料掺杂对激光烧蚀GAP工质推进性能的影响.通过对比掺杂红外染料GAP在不同激光功率密度、掺杂浓度、靶材厚度和激光烧蚀模式下的推进性能数据和烧蚀羽流,初步探索了掺杂红外染料GAP工质的推进性能优化方式.实验结果表明:透射式激光烧蚀模式下,激光能量的指数衰减特性和掺杂红外染料GAP的强黏性使得烧蚀羽流中易存在未充分烧蚀的工质; GAP的推进性能受红外染料掺杂浓度和靶材厚度的综合影响,当靶材厚度与激光吸收深度接近时,靶材充分吸收激光能量使中心烧蚀区达到化学能释放的温度阈值,同时沿激光传播方向未充分烧蚀的质量最少,此时推进性能达到最优值.反射式下掺杂红外染料的聚合物的激光烧蚀过程遵循"先吸收激光能量先喷射"的规律,工质分解充分,推进性能优于透射式.     

Compton散射下的强激光等离子体冲击波对固体的热烧蚀效应

应用多光子非线性Compton散射理论,研究了Compton散射下的强激光等离子体冲击波对固体的热烧蚀效应,给出了冲击波功率密度与靶材熔化温度及沸腾温度与加热时间的表达式,得到了冲击波照射靶材烧蚀孔的最佳实验条件。结果表明：固体的生热率提高,温度分布发生变化,作用点达到熔化和沸腾温度所需时间和功率比无散射时小。当冲击波能量为250J,到靶面的距离为70~80mm时,对靶材烧蚀孔的效果较好。当时间为1.2~3.6ms,到靶面的距离为28~80mm时,烧蚀效果较好;当能量密度为400~2800J•cm-2时,烧蚀深度成较差的线性增加,功率密度与烧蚀斑尺寸近乎成反比。     

激光等离子体特征参量和辐射耦合效应研究

采用一维单流体双温度辐射流体力学模型，在激光产生的等离子体做等温膨胀的假定下，研究了脉冲强激光辐照固态靶材时，计及再辐射后汽化等离子体特征参量与靶材物质和激光参数之间的定标关系，计算了等离子体再辐射对激光－靶材耦合效应的影响。     

靶材吸收率变化与烧蚀过程熔融前靶材温度分布

讨论了脉冲激光沉积法中烧蚀阶段熔融前靶材吸收率的变化对于其温度分布的影响. 给出了靶材吸收率随时间的变化规律，并在此基础上，利用较为符合实际的高斯分布表示脉冲激光输入能量密度，建立了相应的热传导方程. 结合适当的边界条件，利用有限差分法，以硅靶材和钨靶材为例，给出了靶材熔融前温度分布随时间和深度变化的演化分布规律，同时对相关过程的物理图像进行详细的讨论.对于吸收率的变化与脉冲激光能量密度的分布对于相应过程的影响，进行了分析讨论. 结果表明，在脉冲激光中间的持续过程中，忽略靶材吸收率的变化对于最终的模拟结果有重要影响，从而导致理论结果与实验数据有较大差异. 关键词： 脉冲激光沉积 吸收率 有限差分 温度演化     

光学性质对超快激光辐照下铜膜热响应的影响

在超快激光照射过程中,金属靶材的光学性质是动态变化的。采用双温模型与分子动力学结合法,考虑动态和常数光学性质两种情况,对不同脉宽的超快激光照射下铜薄膜的热响应进行了模拟研究。其中,常数光学性质包括由激光沉积能量相等计算得到的等效平均反射率和室温下的吸收系数。结果表明:两种情况下的电子温度和晶格温度均差别较小,尤其是脉宽远小于电子-晶格弛豫时间的飞秒激光; 而当激光脉宽相当于或大于电子-晶格弛豫时间时,如皮秒激光,光学性质的动态变化对材料的熔化和重凝的影响则比较明显。     

高能激光武器目标打击的多物理场系统仿真

由于高能激光武器破坏目标的瞬时性、反应的复杂性以及测试成本高昂,使得通过实验评估激光武器的毁伤威力具有很大难度,因此,通过数值模拟的方法对其毁伤威力进行建模仿真可以有效评估其攻防性能。在计算温度场时考虑了相变情况下材料导热率的变化以及材料熔化时熔化潜热对温度场的影响,建立了相应的位移场、应力场数理模型并进行模拟。将多物理场模型整合到仿真系统中,对激光武器打击目标的过程进行了系统仿真,模拟出不同工况下高能激光武器对目标的毁伤效果。仿真结果表明,激光辐照Al材料3.01 s时,激光实时功率密度为0.930 8 W/cm2,材料外壁面温度达到600℃,内壁面温度为352.522℃,此时材料表面刚刚达到熔化,但其所受应力已使材料发生脆性断裂,材料已被破坏。     

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。     

紫外准分子激光损伤典型光学材料的特性分析

根据已经建立的紫外准分子激光损伤典型光学材料的理论模型,研究了准分子激光对透明光学材料（石英玻璃）和非透明光学材料（K9玻璃）的损伤特性,并结合实验结果证实了理论模型的有效性。研究表明：在准分子激光对非透明光学材料辐照下,激光光斑半径越大,产生的热应力和温度越小;脉宽越小,产生的热应力越大;随着脉冲数的增加,温度和热应力都逐渐增大。值得注意的是,当重频增加至45 Hz以上时,熔融损伤阈值开始低于应力损伤阈值,这说明当重频增加到一定程度时,非透明光学材料将首先产生熔融损伤,而不再是应力损伤。在准分子激光对透明光学材料辐照下,杂质微粒的半径和掩埋深度对光学材料温度场分布有着重要影响。但当杂质半径和掩埋深度超过一定的数值时,杂质粒子的存在与表面温度并无联系。理论模型能够较好地解释石英玻璃前/后表面相同的初始损伤形貌特征。     

红外探测系统的激光辐照热效应仿真分析

为研究红外探测系统受激光辐照后的热效应与二次热辐射对探测器成像的影响,使用Ansys软件对红外探测器进行热辐射仿真和有限元结构仿真;采用黑体辐射定律和DO辐射计算模型模拟计算探测器内光学系统在不同激光辐照度下的温度随时间变化情况以及探测器内部温升对靶面成像的二次热辐射干扰情况;采用热弹性力学模型仿真计算探测器内部的热应力和热变形情况。结果表明:探测器受到1.06μm激光照射,矫正镜激光辐照度在50 W/cm²时,靶面受到二次热辐照度在0.6 s时达到100μW/cm²的量级,使红外探测器达到饱和;探测器受激光辐照后系统最高温度出现在矫正镜中心处,拟合得到系统最高温度与受照时间函数关系,可预测探测器升温结构破坏;最大热变形出现在矫正镜背面中心处,由外向内形成不等附加光程差,干扰探测器的成像效果;最大热应力出现在矫正镜前面中心处,得到最大热应力与激光辐照度间的线性关系曲线,为矫正镜热应力破坏提供预测参数。     

超短脉冲激光诱导单晶铜熔化的物理机制

 采用校正的分子动力学方法研究了超短脉冲熔化单晶铜的动力学微观机制,建模时将熔化潜热的消耗及自由电子的热传导均考虑在内,使熔化过程的模拟更加真实。皮秒激光熔化单晶铜是一种过热熔化,可归因于液相在固相中的均匀形核。熔沿传播的速度高达5.8 nm/ps ,高于铜中声速。熔化发生在热约束区域内部,导致温度分布不太复杂,且卸载波对应力波的影响与应力约束区域相比较弱。     

准分子激光辐照K9玻璃的热力效应分析

基于传热学理论, 利用有限元法对KrF准分子激光辐照K9玻璃样品中的热力效应进行了数值分析, 并比较了脉冲数目和重频对损伤效果的影响。研究表明, 较低的准分子激光能量就能够使K9玻璃在表面和体内产生热应力损伤, 热应力损伤在光斑区域内主要由压缩热应力控制, 在光斑边缘和材料内部则主要由拉伸热应力控制。在激光脉冲结束时刻, 产生的温度和热应力最大, 且热应力以热冲击波的形式在材料内传播, 随时间变化而来回振荡, 逐渐减弱。这种热应力的反复冲击会对材料产生持续的损伤增长效应, 增加了材料的损伤时间, 并使材料更容易断裂。脉冲数目和重复频率对损伤效果有着较大影响, 在高重复频率下, 损伤累积效应明显。     

强激光干扰下运动目标热损伤效应的有限元研究

为对空中飞行目标实施合理有效的强激光干扰,需要综合考虑采用的干扰方式、干扰效果以及考虑光斑偏移对干扰效果的影响。以热传导理论为基础,建立了激光辐照下移动目标温度场模型,采用伽辽金法建立了有限元分析模型,采用了等效比热容的方法处理材料的相变过程;并以Ansys软件为仿真平台,对目标在高斯分布的强激光作用下的温度场和热应力进行了综合仿真分析。结果表明,光斑与目标辐照区域的相对偏移对目标表面温度影响较大,对目标纵深破坏效应相对较小,应力变化主要发生在激光辐照区域,应力最大处也会随热源的移动而变化。     

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。     

环形激光二极管抽运棒状激光器中瞬态温度和热应力分析

直接从激光二极管发光强度的角分布出发,采用光线追迹方法获得激光棒内的热沉积分布,在此基础上采用热传导模型和热力模型,比较了不同抽运功率、不同棒半径下达到稳态温度分布的时间,并且对稳态和瞬态热应力进行了详细模拟计算。结果表明,采用环形激光二极管阵列侧面抽运的棒状激光器中的热效应问题十分严重,不同的抽运结构参量下,温度分布不同;达到稳态所需时间随棒半径增大而增加,而不受抽运功率的影响;抽运功率越大,棒内温差增大,热应力也越大;热破坏主要集中于激光棒中心区域和表面区域。     

光学材料的激光损伤形态研究

 提出了破坏形态因子的概念并以高功率连续激光作用下的光学材料的热力学响应为例，通过积分变换的方法给出激光作用期间温度场和应力场的解析形式，继而得到破坏形态因子的表达式及其简化形式，研究破坏形态因子与材料性质、激光参数的关系，从而预言特定的材料在特定的激光作用下的破坏形态。