激光与物质相互作用

z
z
T2 0 z
T2 ( z,0 ) T1( z )
Tn代表 融化温度；
Ll为材料
的熔化潜
热；t是 熔化开始
z(0 ) 0
后的时间。
tn
l 2Tn2
4at 2aA2 Ps 02
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， L l 0 . 5 clT n
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。
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：
Ti t
a li
2T i z2
i
1, 2 ,...
•
式中下标 1，2分
T 2 T1 z z
Ll l
d z (t ) z dt
z (t),t
0
别表示液 相和固相，
l
Tl z
a Ps0 z
0,t
0
T1 T 2 T n z z (t ), t 0
l i m l i m T ( z , t ) T ,
• 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。
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。
• 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
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
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
• 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：
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
• 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。
• Knudsen层的蒸气马赫数Ma为
马赫数:Mach number 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
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。
近似成立，所以溶化波前的深度为
z(t)
0.16aAPs0
Ll
(t
tn)
• 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
• 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:
• (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。
激光与物质相互作用
§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)
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。
• 调Q或锁模激光， m/E的值在1-10g/J，而对自由振荡 脉冲激光、其脉宽为毫秒量级m/E 为102g/J数量级
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。
• 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。
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。
• 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。
• 若激光加热能量分布随时一间变化，则必须假定
• 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。
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。
• 碰撞电离
冲击波后的气体速度
Ma3表示接触间断面蒸气中的马赫数
代入V2
• 饱和蒸气压力和Knudsen层温度Ts的函数关系
电子在激光电场中的振动速度正比于I／ ，其动能正比于I／ 2，I为激光强度。 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。 (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。 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。 正入射的激光束可以到达临界面，并在此面发生反射。 反常吸收是指通过多种非碰撞机制，使激光能量转化为等离于体波能量的过程。 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。 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。 日面等离子体：1—冕洞； 热等离子体的重粒子温度约3×l04K，基本处于热平衡状态； 饱和蒸气压力和Knudsen层温度Ts的函数关系 温侧-克喇末-布里渊近似法 作用激光功率密度愈高所需气化时间愈短； 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。 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. 最简单的方法就是几何光学近似，目前几乎在所有激光与等离子体相互作用的二、三维数值模拟中都使用这一方法。 第3节 靶材气化时的Knudsen(克努森)层
• (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。
• 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:
• 静电波有两种极端的情况
沿磁场方向传播的等离于体波色散曲线
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。
• 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
• 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
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。
• 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。
• (2)高温等离子体温度为106-108K，例如受控热核聚变条
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
• 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。
• 考虑熔融潜热 稳态蒸发解为
铝靶吸收了功率密度为107W/cm2的激光后温度分布
• 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。
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
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
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。